THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY MỞ VÀ DÁN THÙNG CARTON Trong thời đại công nghiệp hóa hiện nay, việc tự động hóa các quy trình sản xuất là một yếu tố then chốt để tăng hiệu suất và giảm chi
GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Trong ngành chế biến và đóng gói, tốc độ và hiệu quả của dây chuyền sản xuất là yếu tố quan trọng để duy trì cạnh tranh, đặc biệt trong bối cảnh thương mại điện tử phát triển mạnh mẽ, dẫn đến nhu cầu tăng cao về đóng gói và vận chuyển Xu hướng tự động hóa quy trình sản xuất đang ngày càng phổ biến, đặc biệt tại các nước đang phát triển như Việt Nam, với mục tiêu nâng cao hiệu suất và giảm chi phí lao động Việc sử dụng mô hình máy mở và dán thùng carton sẽ giúp tăng tốc độ đóng gói, giảm thời gian chờ giữa các quy trình, từ đó cải thiện hiệu quả tổng thể.
Tự động hóa quy trình mở và dán thùng carton giúp giảm nhu cầu lao động thủ công, từ đó giảm chi phí sản xuất cho các nhà máy Việc này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn đơn giản hóa quản lý nhân sự.
Hệ thống tự động hóa mang lại sự nhất quán và chính xác cao trong quá trình đóng gói, điều mà lao động thủ công khó có thể đạt được Nhờ đó, doanh nghiệp có thể nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng và cải thiện sự hài lòng của khách hàng.
Sau khi tổng hợp các vấn đề của doanh nghiệp Việt Nam và ngành đóng gói, nhóm chúng tôi đã quyết định chọn đề tài “Thiết kế chế tạo mô hình máy mở và dán thùng carton” làm nghiên cứu chính cho đồ án tốt nghiệp nhằm đạt chứng nhận hoàn thành nghiệp vụ kỹ sư tại Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu và thiết kế mô hình máy mở và dán thùng carton yêu cầu kiến thức chuyên môn trong lĩnh vực cơ khí, bao gồm lý thuyết và thực hành Quá trình này bắt đầu bằng việc áp dụng kiến thức thiết kế sản phẩm để tạo ra các bản vẽ chi tiết, tiếp theo là chế tạo và lắp ráp để hoàn thiện mô hình Đề tài này không chỉ cung cấp cơ hội nghiên cứu mà còn phát triển các giải pháp kỹ thuật mới cho tự động hóa, tối ưu hóa quy trình sản xuất trong ngành công nghiệp đóng gói Việc ứng dụng công nghệ điện, khí nén, băng tải và hệ thống dán keo là những yếu tố quan trọng trong quá trình tự động hóa của máy.
Tự động hóa quy trình mở và dán thùng carton không chỉ tăng tốc độ sản xuất mà còn giảm thiểu thời gian lãng phí, từ đó nâng cao năng suất và hiệu quả sản xuất Hệ thống máy tự động đảm bảo chất lượng đóng gói ổn định và giảm thiểu các lỗi do con người gây ra.
Tiết kiệm chi phí lao động là một lợi ích lớn từ việc tự động hóa quy trình đóng gói, giúp doanh nghiệp giảm bớt lao động thủ công Nhờ đó, doanh nghiệp có thể cải thiện đáng kể lợi nhuận sau một thời gian hoạt động.
Cải thiện an toàn lao động là một trong những lợi ích quan trọng khi cắt giảm lao động, giúp giảm thiểu rủi ro về chấn thương và các nguy cơ tiềm ẩn tại nơi làm việc Đồng thời, sự phát triển nhanh chóng của thương mại điện tử đặt ra thách thức trong việc đáp ứng nhu cầu đóng gói đa dạng với nhiều kích cỡ và hình dáng thùng carton khác nhau.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Đề tài tốt nghiệp về mô hình máy mở và dán thùng carton này của nhóm tập chung vào các mục tiêu nghiên cứu chính sau:
Hệ thống tự động mở thùng carton từ tấm phẳng và dán lại thành thùng đóng gói hoàn chỉnh, hoàn toàn không cần sự can thiệp của con người, đang được phát triển.
Mô hình máy được thiết kế với tính linh hoạt cao, cho phép dễ dàng tùy chỉnh theo nhu cầu đóng gói đa dạng của các ngành công nghiệp khác nhau Nguyên tắc cốt lõi là tối ưu hóa quy trình để giảm thiểu lãng phí từ nguồn nguyên vật liệu đầu vào.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài tốt nghiệp là “Thiết kế và chế tạo mô hình máy mở và dán thùng carton” tập trung vào:
- Các cơ cấu truyền động và cách thức hoạt động
- Các kích cỡ thùng carton đối khẩu nắp thường và các loại keo dán thùng trên thị trường
- Các mô hình máy có sẵn trên thị trường
Phạm vi nghiên cứu của đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình máy mở và dán thùng carton” được nhóm giới hạn và tập trung vào:
- Kích thước của máy (Dài x rộng x cao): 190 x 135 x 140cm
- Kích thước thùng carton nhỏ nhất (Dài x rộng x cao): 20x20x15cm
- Kích thước thùng carton lớn nhất (Dài x rộng x cao): 50x50x50cm
- Kích thước chiều rộng băng keo 1 mặt: 3,6 - 6cm.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu cơ sở bao gồm việc thu thập và phân tích thông tin về máy mở và dán băng keo thùng carton hiện có trên thị trường Phân tích này sẽ tập trung vào các tính năng, công nghệ và hiệu suất của thiết bị, nhằm xây dựng một mô hình tối ưu cho việc sử dụng.
Tài liệu tham khảo được thu thập qua sách vở, giáo trình, các nghiên cứu và Internet
Thiết kế: Sử dụng phần mềm thiết kế SolidWorks để hoàn thành các bản vẽ kỹ thuật và mô hình 3D của máy dán thùng carton tự động
Mô phỏng: Sử dụng tính năng mô phỏng chuyển động để kiểm tra và tối ưu hóa hiệu suất của máy dán băng keo trên chính phần mềm SolidWorks
Chế tạo và thử nghiệm máy dán băng keo thùng carton nhằm đánh giá hiệu suất, độ tin cậy và tuân thủ các tiêu chuẩn chất lượng Sau khi thực hiện các thử nghiệm, cần tiến hành đánh giá kết quả và đề xuất các cải tiến để nâng cao hiệu suất và chất lượng của máy dán băng keo.
Kết cấu của đề tài tốt nghiệp
Kết cấu của đề tài tốt nghiệp “Thiết kế chế tạo mô hình máy mở và dán thùng carton” được trình bày qua các nội dung như sau:
- Chương 1: Giới thiệu về đề tài
- Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài
- Chương 3: Cơ sở lý thuyết
- Chương 4: Phương hướng và các giải pháp
- Chương 5: Tính toán thiết kế các bộ phận của máy
- Chương 6: Chế tạo thử nghiệm và thực nghiệm đánh giá
- Kết luận và đề nghị
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Tổng quan về thùng carton
2.1.1 Nguồn gốc của thùng carton
Lịch sử thùng carton bắt đầu từ năm 1879 tại Brooklyn, New York, khi Robert Gair điều hành một nhà máy sản xuất Tại đây, giấy bìa cứng được cắt và gấp thành hình dạng thùng carton, đánh dấu sự phát triển quan trọng trong ngành bao bì.
Năm 1896, National Biscuit Company là tổ chức đầu tiên sử dụng thùng carton để đóng gói bánh quy giòn Đến năm 1908, Tiến sĩ Winslow ở Seattle đã cho rằng hộp sữa đã được bán thương mại tại San Francisco và Los Angeles vào khoảng năm 1906 G.W Maxwell là người phát minh ra loại thùng carton này.
Vào năm 1915, John Van Wormer ở Toledo, Ohio, đã nhận bằng sáng chế cho "chai giấy" đầu tiên, gọi là "Pure-Pak", cùng với hộp đựng sữa Đến đầu những năm 1960, nhiều hệ thống tự động được phát triển để cải thiện quy trình sản xuất Tại Detroit, kỹ sư Mario Lepore đã sáng chế một máy gấp nếp và đóng dấu cho thùng carton Công ty Container Kieckhefer, do John W Kieckhefer điều hành, là một trong những nhà tiên phong trong ngành bao bì Mỹ, nổi bật với việc sử dụng container vận chuyển chất xơ và bao bì hộp giấy Năm 1957, Kieckhefer Container đã sáp nhập với Công ty gỗ Weyerhauser ở Tacoma, Washington.
Hình 2.1: Các thùng carton được sử dụng trong một nhà máy đóng gói
2.1.2 Đặc điểm của thùng carton
Giấy tấm carton bao gồm một lớp giấy thường và một lớp giấy sóng, với số lớp và độ dày có thể được điều chỉnh theo yêu cầu của khách hàng Định lượng giấy là yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến độ dày và tác động đến quy trình vận chuyển, xuất khẩu và bảo quản an toàn hàng hóa.
Giấy carton là nguyên liệu chủ yếu trong sản xuất thùng và hộp carton, đóng vai trò quan trọng trong việc đóng gói và bảo quản sản phẩm trong quá trình vận chuyển Nguyên liệu này được tạo thành từ hai loại giấy chính: giấy thường và giấy sóng.
Hình 2.2: Các loại giấy carton phổ biến
Tấm bìa cứng chủ yếu được làm từ 74% bột giấy, 22% polyethylene và 4% nhôm Bìa thùng sản xuất trong môi trường nhiệt độ thấp được gọi là bìa carton lạnh, với thành phần gồm 80% giấy và 20% polyethylene Sản phẩm cũng sử dụng các vật liệu khác như giấy cũ và các sản phẩm từ giấy.
2.1.3 Phân loại các thùng carton
Phân loại thùng carton theo độ cao sóng
Thùng giấy carton được sản xuất từ sợi gỗ qua quy trình tạo sóng và ghép nối các lớp giấy, mang đến cho khách hàng nhiều lựa chọn về kết cấu sóng.
- Sóng A có độ cao của sóng là 4,7 mm Sản phẩm mang đến lựa chọn phân tán lực tốt trên bề mặt giấy
- Sóng B có độ cao sóng là 2,5mm Loại thùng giấy carton này mang đến khả năng chịu lực xuyên tốt
- Sóng C có độ cao sóng là 3,6 mm Đây là loại thùng carton có sự kết hợp ưu điểm của sóng A và sóng B
- Sóng E có độ cao sóng là 1,5 mm Thùng carton này sử dụng để chứa các vật nhẹ
Sóng BC là sự kết hợp của hai lớp sóng, bao gồm lớp sóng B và lớp sóng C Kết cấu này giúp tăng độ dày của thùng, đảm bảo khả năng chịu lực tốt hơn.
- Sóng AC cùng là sóng kết hợp của lớp sóng A và lớp sóng C mang đến khả năng chịu lực tốt, phân tán lực tối ưu
Hình được dựa trên mục tài liệu tham khảo [9] như hình sau:
Hình 2.3: Phân loại theo độ cao sóng
Phân loại thùng carton theo số lớp
Phân loại theo số lớp của thùng carton sẽ có các loại bao gồm thùng carton 2 lớp, 3 lớp, 5 lớp và 7 lớp
- Thùng carton 2 lớp là loại thùng sử dụng carton với 1 lớp giấy mặt, 1 lớp giấy sóng
- Thùng carton 3 lớp sẽ có 2 lớp phẳng, 1 lớp sóng ở giữa
- Thùng carton 5 lớp sẽ có 2 lớp giấy, 2 lớp sóng xen kẽ
- Thùng carton 7 lớp cũng như vậy với sự xen kẽ các lớp sóng và giấy phẳng
Phân loại thùng carton theo kết cấu hộp
Có nhiều loại thùng carton được phân loại theo kết cấu, trong đó các loại phổ biến bao gồm thùng carton thông thường, thùng có nắp và không nắp, thùng carton bế lỗ, và thùng carton nắp toàn phần Mỗi loại thùng này phục vụ những nhu cầu khác nhau, mang lại tiện ích riêng cho người sử dụng.
Mỗi sản phẩm thùng carton đều có kích thước chuẩn riêng, thường được xác định bởi kích thước tổng thể của thùng Ba kích thước cơ bản cần chú ý khi thiết kế và sản xuất thùng carton là chiều dài, chiều rộng và chiều cao.
- Chiều dài: Là kích thước của cạnh dài nhất trên mặt của thùng carton
- Chiều rộng: Là kích thước của cạnh ngắn hơn trên mặt của thùng carton
- Chiều cao: Là kích thước của cạnh vuông góc với cạnh chiều dài và chiều rộng của thùng carton
Hình 2.4: Kích cỡ của thùng carton
Kích thước thùng carton không cố định và phụ thuộc vào nhu cầu cũng như đặc điểm của sản phẩm như chất liệu, trọng lượng và kích thước Do đó, mỗi khách hàng sẽ có yêu cầu khác nhau về kích thước thùng carton.
Tuy nhiên, trong thực tế có một số kích thước thùng carton được sử dụng khá phổ biến và thường xuyên hiện nay là:
Bảng 2.1 Các kích thước thùng carton theo tiêu chuẩn [16]
Các phương pháp dán thùng carton
2.2.1 Dán thùng carton bằng phương pháp thủ công Đúng như tên gọi ở chỗ tất cả thùng carton đều được dán bằng phương pháp thủ công và có sự can thiệp trực tiếp từ bàn tay người công nhân mà không cần dựa vào các dây chuyền tự động hoặc máy dán thùng công nghiệp Ưu điểm lớn nhất và rõ ràng nhất của phương pháp thủ công này là rất dễ thực hiện và hầu như ai cũng có thể thực hiện Tuy nhiên đối với một số nghành công nghiệp đóng gói tự động thì hầu như phương pháp này là không hữu ích
Hình 2.5: Dán thùng carton bằng phương pháp thủ công
Hình 2.6: Dán thùng bằng phương pháp thủ công
2.2.2 Dán thùng carton bằng máy dán thùng tự động
Trong quy trình đóng gói sản phẩm, việc đảm bảo chất lượng bao bì một cách liên tục và nhanh chóng là rất quan trọng Đầu tư vào máy dán thùng carton hiện đại và năng suất cao là yếu tố hàng đầu cho doanh nghiệp Các máy dán này hoạt động hoàn toàn tự động, dán keo lên bề mặt thùng carton với công suất lớn, cho phép dán nhiều thùng trong thời gian ngắn Sau khi hoàn tất, sản phẩm sẽ được đưa ra ngoài qua hệ thống băng chuyền con lăn.
Hình 2.7: Dán thùng carton bằng máy dán thùng tự động
Hình 2.8: Máy dán thùng carton tự động
2.2.3 Dán thùng carton bằng máy dán thùng bán tự động Đối với các máy dán thùng carton bằng phương pháp bán tự động, băng keo cũng được dán lên bề mặt của thùng carton Tuy nhiên, quy trình dán thùng sẽ không tự động 100% mà kết hợp với các thao tác gấp thủ công, đưa thùng vào máy để tự động dán keo, cần có sự can thiệp của con người trong việc cấp sản phẩm để máy thực hiện
Hình 2.9: Dán thùng carton bằng máy dán thùng bán tự động
Hình 2.10: Máy quấn đai carton bằng máy bán tự động
Đặc tính chung của các loại máy mở và dán thùng carton
Mô hình máy mở và dán thùng carton tự động sở hữu nhiều đặc điểm nổi bật, góp phần nâng cao hiệu quả trong quy trình sản xuất và đóng gói sản phẩm.
- Tự động hóa cao: thùng carton được xếp gọn và đưa vào máy tự động dựng và dán đáy nhanh chóng
Máy có khả năng tương thích cao, cho phép xử lý đa dạng các loại và kích thước thùng carton, đảm bảo tính linh hoạt và đáp ứng hiệu quả nhiều nhu cầu sản xuất khác nhau.
Sử dụng máy mở và dán thùng carton đảm bảo chất lượng đóng gói đồng nhất, giúp loại bỏ các vấn đề thường gặp trong quy trình đóng gói thủ công như băng keo không thẳng và tình trạng thừa thiếu vật liệu.
Tối ưu hóa quy trình sản xuất thùng carton là rất quan trọng; sau khi thùng được tạo hình và dán đáy, nó sẽ được chuyển tiếp một cách liên tục và hiệu quả đến các công đoạn tiếp theo trong dây chuyền sản xuất.
Máy được chế tạo từ vật liệu chất lượng cao, mang lại độ bền vượt trội, giúp giảm thiểu chi phí bảo dưỡng và thay thế trong suốt quá trình sử dụng.
Máy được trang bị nhiều tính năng an toàn, bao gồm công tắc dừng khẩn cấp, vỏ bảo vệ và hệ thống cảnh báo, nhằm đảm bảo an toàn tối đa cho người vận hành.
Thiết kế module hóa của máy giúp dễ dàng tháo lắp và bảo trì các bộ phận, từ đó giảm thời gian ngừng hoạt động và tối ưu hóa hiệu suất làm việc.
- Hoạt động tốt trong môi trường khắc nghiệt: trong môi trường sản xuất chứa nhiều khói bụi, tạp chất
Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
2.4.1 Các nghiên cứu ngoài nước
Bài viết "Thiết kế hệ thống đóng gói thùng carton tự động cho thuốc lá dựa trên STM32" của nhóm sinh viên Yuyi Zhai, Le Wang, Yunjia Liu, Tao Jiang và Houyong Jiang đến từ Trường Kỹ thuật Cơ khí, Đại học Giao thông Thượng Hải, Trung Quốc, được công bố trong "Journal of Physics: Conference Series" Bài báo được trình bày tại Hội nghị quốc tế lần thứ hai về Internet vạn vật, trí tuệ nhân tạo và tự động hóa cơ khí (IoTAIMA 2021) diễn ra từ ngày 14 đến 16 tháng 5 năm 2021 tại Hàng Châu, Trung Quốc Mục tiêu của nghiên cứu là phát triển hệ thống đóng gói thùng carton tự động hoàn toàn cho các hộp thuốc lá nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm cường độ lao động Hệ thống được chia thành ba lớp: lớp cơ khí, lớp điều khiển thiết bị bằng vi mạch, và lớp giám sát sản xuất, nhằm thực hiện tự động hóa, mạng lưới hóa và thông minh hóa các dây chuyền sản xuất công nghiệp, từ đó giải phóng sức lao động và cải thiện hiệu quả.
2.4.2 Các nghiên cứu trong nước
Luận văn thạc sĩ của sinh viên Nguyễn Ngọc Long tại ĐH Công Nghệ TP.HCM nghiên cứu thiết kế và điều khiển tay máy gắp thùng carton lên pallet Mô hình cánh tay robot 5 bậc tự do được xây dựng để hoạt động trong dây chuyền sản xuất, nơi các thùng carton sau khi được đóng gói sẽ qua máy dán thùng Mục tiêu chính là phát triển bộ điều khiển cho cánh tay robot, cho phép gắp thùng carton theo thứ tự lớp quy định và kiểm chứng qua mô hình thực nghiệm.
Các tồn tại của máy trên thị trường hiện nay
Máy mở và dán thùng carton tự động KH – 30H15
Hình 2.11: Máy dán thùng carton tự động KH – 30H15 [17] Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của máy KH – 30H15 [17]
Thương hiệu Máy dán thùng Khôi Minh Điện áp 220V – 50Hz
Kích thước hộp carton D: 145-280mm
Tốc độ mở hộp 15 hộp/phút
- Khả năng điều chỉnh kích thước thùng linh hoạt
- Tốc độ xử lý nhanh (15 thùng/phút)
- Có băng tải bền bỉ và cấu trúc chắc chắn
- Chi phí ban đầu cao
- Không gian lắp đặt lớn
- Điện năng tiêu thụ cao
Máy dán thùng carton tự động KM – 40H50
Hình 2.12: Máy dán thùng carton tự động KM – 40H50 [18]
Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của máy KM – 40H50 [18]
Thương hiệu Máy dán thùng Khôi Minh Điện áp 220V – 50Hz
Kích thước hộp carton D: 250-450mm
Tốc độ mở hộp 50 hộp/phút
Ưu điểm của máy KM – 40H50
Máy mở và dán thùng carton tự động KM-40H50 có khả năng hoạt động độc lập hoặc tích hợp vào dây chuyền đóng gói, kết hợp với các thiết bị khác như máy dán nhãn sản phẩm và máy bọc màng co, mang lại hiệu quả cao trong quy trình đóng gói.
- Máy dựng thùng carton tự động KM 40H50 có tốc độ đóng gói nhanh nhất trong các loại máy cùng dòng
Máy đóng gói thùng đẹp không chỉ tiết kiệm chi phí và mang lại hiệu quả cao, mà còn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành hàng như hóa mỹ phẩm, dược phẩm, giày dép và quần áo.
Nhược điểm của máy KM – 40H50
- Kích thước và trọng lượng nặng
- Không có khả năng di động
Máy dựng thùng carton dạng thẳng CER03 Trí Việt
Hình 2.13: Máy dựng thùng carton dạng thẳng CER03 Trí Việt [19] Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của máy CER03 Trí Việt [19]
Thương hiệu Trí Việt Điện áp 220V – 50Hz
Kích thước hộp carton D: 300-700mm
Kích thước máy 2760*1350*1700mm Độ rộng dán keo 48 – 72 mm
Tốc độ mở hộp 6-12 hộp/phút
- Bảng điều khiển hiển thị trên một màn hình
- Dễ dàng điều chỉnh và vận hành
- Sử dụng servo điều chỉnh vị trí hút
- Tích hợp nhiều loại thùng
- Có cảm biến hết keo
- Cần không gian đủ rộng
- Hạn chế trong môi trường sản xuất nhỏ
- Chi phí đầu tư ban đầu và chi phí bảo trì cao
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Tổng quan về sơ đồ nguyên lý hoạt động của mô hình máy
Sơ đồ 3.1: Sơ đồ nguyên lí làm việc của máy
3.2 Sơ đồ động và các cơ sở nghiên cứu của mô hình máy
Sơ đồ 3.2: Sơ đồ động của máy bằng hình ảnh animation
Thùng carton đã dán đáy
Cụm xilanh gập đáy thùng Động cơ AC giảm tốc Băng tải
Cụm van hút Xilanh đẩy
Sơ đồ 3.3: Sơ đồ động của máy bằng sơ đồ khối Nguyên lý làm việc của máy:
Máy dán mở và dán thùng carton tự động hoạt động dựa trên nguyên lý hút thùng carton từ tấm phẳng vào cụm gấp đáy Sau đó, cụm xi lanh đẩy thùng carton qua dây belt truyền động hai bên, giúp thùng carton trượt một cách hiệu quả Quá trình này diễn ra đồng thời với con lăn miết dán băng keo lên đáy thùng Cuối cùng, máy sẽ cắt đứt băng keo với chiều dài đoạn dính ở hai đầu khoảng 4 – 6 cm.
Máy cho phép người dùng tùy chỉnh bề rộng và chiều cao để phù hợp với kích thước thùng carton khác nhau Dây đai Belt được cài đặt ép sát vào hai bên cạnh thùng carton, đảm bảo sự chắc chắn và an toàn trong quá trình đóng gói.
BĂNG TẢI BĂNG TẢI ĐỘNG CƠ ĐỘNG CƠ
3.2.1 Cụm xi lanh khí nén
Xi lanh khí nén là thiết bị cơ khí quan trọng, sử dụng sức ép khí nén để tạo ra chuyển động và lực đẩy Thiết bị này bao gồm hộp chứa khí nén, van điều khiển, piston và vòng bi hoặc vòng đệm Khi khí nén được đưa vào xi lanh, nó tạo ra lực ép lên piston, khiến piston di chuyển và thực hiện các nhiệm vụ chuyển động, đồng thời đẩy các bộ phận khác trong hệ thống.
Hình 3.1: Xi lanh khí nén
Hình 3.2: Cấu tạo của một xi lanh khí nén [20]
- Dựa theo chức năng hoạt động của xi lanh có thể phân thành 2 loại như sau:
Xi lanh khí nén 1 chiều chỉ hoạt động khi áp lực được tác động từ một phía duy nhất Để tạo lực tác động ở phía ngược lại, cần phải có sự can thiệp của ngoại lực hoặc sử dụng lò xo.
Khí nén được đưa vào xi lanh qua lỗ cấp, làm tăng dần áp suất bên trong Lượng khí này chiếm lấy không gian bên trong, đẩy piston ra ngoài và tạo ra công.
Xi lanh tác động kép, hay còn gọi là xi lanh khí nén 2 chiều, hoạt động dựa trên áp lực không khí để di chuyển ty ra ngoài và rút lại Loại xi lanh này có đặc điểm nổi bật với hai cửa cấp khí trên thân: một cửa cho phép ty tiến ra và một cửa để ty lùi về.
Nó được sử dụng để tạo lực cho piston từ cả hai phía Lưu lượng và nguồn khí cung cấp cho xi lanh được điều chỉnh thông qua các van phân phối 5/3, 5/2 hoặc 4/2 với một hoặc hai đầu điện.
Các định luật và công thức để lựa chọn xilanh khí nén:
Khi nhiệt độ không khí trong quá trình nén không đổi (T = const), thì:
P1, P2 là áp suất tuyệt đối
Thể tích khí nén V1 (m 3 ) ở áp suất P1
Thể tích khí nén V2 (m 3 ) ở áp suất P2
Hình 3.5: Nguyên lý cơ bản máy nén khí [6]
Khi áp suất không đổi (P = const):
Thể tích khí nén V1 (m 3 ) ở tại nhiệt độ T1
Thể tích khí nén V2 (m 3 ) ở nhiệt độ T2
Khi thể tích không đổi (V = const):
Công thức tính lưu lượng:
V: thể tích khí chuyển qua tiết diện ống hay buồng xi lanh trong đơn vị thời gian (t)
Tính lực của xilanh khí nén:
𝜇 : là hệ số theo điều kiện làm việc
P: áp suất khí nén đưa vào xi lanh (kg/cm 2 )
F: lực của xilanh đơn vị N
A: diện tích của piston trong xilanh (cm 2 )
Băng tải, hay còn gọi là băng chuyền, là một loại máy cơ khí chuyên dụng để vận chuyển hàng hóa từ điểm A đến điểm B một cách hiệu quả Việc sử dụng băng tải giúp doanh nghiệp tiết kiệm thời gian và chi phí so với việc sử dụng nguồn nhân lực, đồng thời giảm thiểu sự lộn xộn trong quá trình vận chuyển sản phẩm Cấu tạo của băng tải hoàn chỉnh được minh họa trong hình bên dưới.
Hình 3.6: Cấu tạo băng tải công nghiệp
Các bước tính toán và lựa chọn motor giảm tốc cho ứng dụng băng tải dạng belt [13]
- Bước 1: Thông số đầu vào
- Bước 2: Tính toán tỉ số truyền -> chọn hộp số
- Bước 3: Tính moment xoắn trục hộp số -> moment xoắn trục motor -> chọn motor
- Bước 4: Kiểm tra lại moment khởi động -> không phù hợp -> chọn động cơ khác Tính lại moment cần thiết
- Bước 5: Kiểm tra lại moment quán tính của motor có đáp ứng moment quán tính của conveyor
- Bước 6: Kiểm tra lại vận tốc của motor có đạt yêu cầu của đề bài
3.2.3 Động cơ Động cơ Servo được ứng dụng phổ biến trong các thiết bị công nghệ cao được ứng dụng trong công nghiệp như công nghệ hóa tự động Servo là một phần của hệ thống vòng kín và bao gồm một số bộ cụ thể là mạch điều khiển, động cơ servo, trục, chiết áp, bánh răng chuyển động, bộ khuếch đại và bộ mã hóa hoặc bộ phân giải
Động cơ bước, hay còn gọi là step motor, là một loại động cơ điện một chiều có kích thước nhỏ gọn, cung cấp moment xoắn lớn ở dải vận tốc thấp và trung bình Đặc điểm nổi bật của động cơ bước là khả năng điều khiển tần số góc quay, cho phép biến đổi tốc độ thông qua các xung điện liên tiếp, tạo ra chuyển động góc quay chính xác Khi góc bước nhỏ, số bước trên mỗi vòng quay tăng lên, đồng nghĩa với độ chính xác vị trí cao hơn Động cơ bước dễ dàng lắp đặt và thay thế, phù hợp cho nhiều ứng dụng trong công nghiệp.
Hình 3.8: Động cơ bước
Động cơ giảm tốc bao gồm hai bộ phận chính: động cơ điện và hộp giảm tốc Động cơ điện được cấu thành từ stato và roto, trong đó stato là phần quấn ba pha điện trên các lõi sắt để tạo ra từ trường quay, còn roto có hình trụ và đóng vai trò là cuộn dây quấn trên lõi thép.
Hộp giảm tốc là thiết bị chứa bộ truyền động gồm bánh răng và trục vít, có chức năng giảm tốc độ vòng quay Nó giúp giảm vector vận tốc tức thời góc, tăng momen xoắn, đồng thời đóng vai trò như bộ phận trung gian giữa động cơ điện và các thiết bị hoạt động Phần đầu còn lại của hộp giảm tốc sẽ kết nối với tải.
Hình 3.9: Động cơ giảm tốc
PHƯƠNG ÁN VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ MÁY
Thông số thiết kế
4.1.1 Yêu cầu về thiết kế và kỹ thuật
Dựa trên phân tích các thông số kỹ thuật hiện có trên thị trường, bài viết đưa ra yêu cầu thiết kế và kỹ thuật cơ bản nhằm đảm bảo đầy đủ tính năng, đồng thời cải tiến về giá thành, kích thước và trọng lượng của máy.
- Loại thùng carton: Thùng đối khẩu nắp thường từ 2, 3, 5,7 lớp giấy
- Kích thước của thùng carton:
Bảng 4.1: Kích thước thùng carton vận hành
Chiều dài (L) Chiều rộng (W) Chiều cao (H)
Kích thước lớn nhất (mm) 500 500 500
Kích thước nhỏ nhất (mm) 200 200 150
- Các thông số của máy:
Bảng 4.2 Thông số yêu cầu của máy dán thùng carton
Năng suất: Từ 8-10 thùng/phút
Kích thước máy: Trung bình, nhỏ
- Chiều dài (mm): Không quá 2 mét (Phương án 1:
Sử dụng Xilanh dạng vuông
- Chắc chắn và ổn định
- Nhiều kích thước, dễ lựa chọn
- Phù hợp với cơ cấu thiết kế
Sử dụng Băng tải PVC
- Giá thành rẻ, phù hợp với cá nhân
- Dễ lắp đặt và sử dụng
=>Phương án 2: Sử dụng - Chi phí sản xuất thấp
- Sử dụng cơ cấu cơ khí
- Hiệu suất trung bình Động cơ =>Phương án 1: Sử dụng Động cơ giảm tốc AC
- Nhiều loại kích thước dễ lựa chọn
- Có tốc độ ổn định, phù hợp với mục tiêu thiết kế
Sau khi lựa chọn các phương án thiết kế và giải pháp phù hợp, kết cấu của máy mở và dán thùng carton được vẽ trên phần mềm Solidworks.
Hình 4.7: Kết cấu máy mở và dán thùng carton trên phần mềm Solidwork
Hệ thống khung, giá đỡ
Băng tải Động cơ giảm tốc
Cụm điều chỉnh kích thước
Hình 4.8: Hình ảnh sơ đồ nguyên lý làm việc của tổng thể máy
Hình 4.9:Hình ảnh sơ đồ nguyên lý cụm nâng thùng và cấp thùng
Hình 4.10: Hình ảnh sơ đồ nguyên lý làm việc của cụm gập mép
Hình 4.11: Hình ảnh sơ đồ nguyên lý làm việc của cụm dán keo
Trình tự công việc tiến hành
Bảng 4.16 Trình tự công việc tiến hành
Bước Nội dung công việc Thực hiện Thời gian
1 Khảo sát và phân tích yêu cầu từ các đối tượng khách hàng
Tiến hành khảo sát, và thu thập các dữ liệu từ các website của doanh nghiệp
Tiến hành phân tích sơ bộ các yêu cầu kỹ thuật, các phương án đã có trên thị trường Phân tích tính khả thi, và khả năng thực hiện
2 Thiết kế sơ bộ Vẽ sơ đồ tổng thể các chức năng chính của mô hình máy
Phân tích các phương án vật liệu sử dụng cho các phương án này
3 Mô phỏng và phân tích Thực hiện mô phỏng các chức năng cơ khí sau khi đã lên phương án sơ bộ
Phân tích sự ổn định và sự hiệu quả của thiết kế và các phương án sau đó đưa ra phương án cuối cùng
4 Thiết kế chi tiết và CAD trên phần mềm
Tạo các bản vẽ CAD chi tiết cho phương án đã đưa ra
Liệt kê danh sách vật liệu, xác định thông số kỹ thuật của các linh kiện
5 Chuẩn bị sản xuất và chế tạo mô hình
Tiến hành mua và thu thập các nguyên liệu, thiết bị máy móc và nhà xưởng và các phương tiện sản xuất khác
Tiến hành gia công và chế tạo các bộ phận của máy, lựa chọn các phương án gia công phù hợp cho từng bộ phận cụ
48 thể, và láp ráp chúng lại với nhau
6 Kiểm tra hiệu chỉnh Sau khi chế tạo, láp ráp thì tiến hành thử nghiệm, vận hành để kiểm tra năng suất, điều chỉnh các vấn đề kỹ thuật xảy ra và tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của máy
7 Chỉnh sửa cuối cùng và bàn giao đồ án tốt nghiệp
Kiểm tra chất lượng, năng suất hoạt đông và hiệu suất của máy để kịp thời chỉnh sửa
Bàn giao đồ án tốt nghiệp
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN CỦA MÁY
Tính toán vít me, đai ốc và bộ truyền xích nâng hạ cụm cấp phôi
5.1.1 Tính toán vít me và đai ốc nâng hạ cụm cấp phôi và tấm cố định
Hình 5.1: Các loại ren truyền động [1]
Thiết kế truyền động trượt bao gồm các bước sau:
- Chọn vật liệu vít và đai ốc
- Tính toán thiết kế theo chỉ tiêu về độ bền mòn
- Điều kiện tự hãm của cụm nâng vít me – đai ốc
- Vít tải: Sử dụng Thép C45 - tiết kiệm chi phí và đáp ứng được nhu cầu sử dụng của máy
- Đai ốc: Sử dụng đồng thau
Hình 5.2: Trục vít me thiết kế [1]
- 𝚿 𝑯 = H/d2 là hệ số chiều cao đai ốc với chiều cao đai ốc, (thường chọn trong khoảng
𝚿 𝑯 = 1.2 2.5 đối với đai ốc nguyên, 𝚿 𝑯 = 2.5, … 3.5 đối với đai ốc ghép)
- 𝚿 𝒉 = h/p – hệ số chiều cao ren, (với h – chiều cao làm việc của ren, p – bước ren);
𝚿 𝒉 = 0.5 đối với ren hình thang và ren vuông, 𝚿 𝒉 = 0.75 đối với ren răng cưa
- m1: là khối lượng của khay chứa thùng, kiểm tra trong phầm mềm: m1 = 16,25 (kg)
- m2: là khối lượng của thùng đặt lên (tối đa 75 thùng)
Với kích thước thùng lớn nhất (50x50x50) có khối lượng là 0,45kg
Từ đó ta tính được m2 = 0,45x75 = 33,75 kg
Điều kiện an toàn 𝒅 𝟐 ′ = 𝒅 𝟐 𝒏 = 5,703 x 2,5 = 14,258 (mm) [1]
Tra bảng phụ lục P2.4 (Sách tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí tập 1 – Trịnh Chất, Lê Văn Uyển)
- Đường kính trung bình ren: 𝑑 2 = 15𝑚𝑚
Điều kiện tự hãm của cụm nâng vít me – đai ốc:
- Theo công dụng của bộ truyền và yêu cầu tự hãm nên chọn số mối ren là 𝑍 ℎ = 1
𝛿: 𝐺ó𝑐 𝑛𝑔ℎ𝑖ê𝑛𝑔 𝑐ủ𝑎 𝑐ạ𝑛ℎ 𝑟𝑒𝑛, đố𝑖 𝑣ớ𝑖 𝑟𝑒𝑛 ℎì𝑛ℎ 𝑡ℎ𝑎𝑛𝑔 𝑐ℎọ𝑛 𝛿 = 15° f: Hệ số ma sát phụ thuộc vào vật liệu của vít và đai ốc, trong trường hợp này chọn thép, f=0,1
=>Ta thấy góc vít nhỏ hơn góc nghiêng của cạnh ren (𝛾 < 𝜌) nên bộ truyền đảm bảo về điều kiện tự hãm
Hiệu suất của bộ truyền:
Lực vòng cần thiết để nâng cơ cấu máy:
5.1.2 Tính toán bộ truyền xích
+ Đường kính tay quay d = 74 (mm)
+ Tốc độ quay vít me n = 30 vòng/phút
- Công suất trên trục vít me:
- Moment xoắn truyền từ tay quay đến trục vít me:
- Công suất trên trục vít me:
- Công suất hiệu chỉnh với xích một dãy ta có:
P: là công suất truyền = 2,18 10 −3 (𝑘𝑊) k = 𝑘 0 𝑘 𝑎 𝑘 𝑑𝑐 𝑘 𝑏𝑡 𝑘 𝑑 𝑘 𝑐 , hệ số kể đến ảnh hưởng các yếu tố khác
Chọn sơ bộ số răng bánh xích dẫn 𝑧 1 = 17 𝑟ă𝑛𝑔, 𝑘 𝑧 = 𝑧 01
30= 1,67 Công suất hiệu chỉnh: 𝑃 𝑡 = 𝑃 𝑘 𝑘 𝑧 𝑘 𝑛 = 2,18 10 −3 1,508.1,47.1,67 = 8,07 10 −3 (kW)
=>Chọn lại số răng và mã bánh xích dẫn từ công suất hiệu chỉnh, tốc độ quay theo catalog MISUMI:
- Chọn được bánh xích dẫn z = 23 răng
Hình 5.3: Bảng tra hướng dẫn lựa chọn số răng bánh xích dẫn [13]
Tính toán số mắc xích a = 0,25p {𝑥 𝑐 – 0,5(𝑧 2 + 𝑧 1 ) + √(𝑥 𝑐 – 0,5(𝑧 2 + 𝑧 1 )) 2 − 2( 𝑧 2 −𝑧 1
𝜋 ) 2 } [1] Trong đó: a: là khoảng cách trục thiết kế, a 66 mm p: bước xích, p =9,53 mm
𝑥 𝑐 : số mắc xích (cần tính)
𝑧 1 : số răng bánh xích dẫn, z1 = 23 răng
𝑧 1 : số răng bánh xích bị dẫn, z2 = z1.u = 23.1 = 23 răng
Tính toán cụm giác hút
Dạng phẳng: Cho các phôi có bề mặt phẳng và không bị biến dạng
Dạng phẳng có gân: Cho các phôi dễ bị biến dạng Phôi có thể được lấy ra dễ dàng nhờ vào các gân
Dạng ống: Được sử dụng khi không có chỗ cho bộ đệm hoặc cho các phôi có bề mặt nghiêng
Loại phẳng mỏng: Cho các phôi mềm như tấm mỏng hoặc nhựa vinyl Nhăn hoặc biến dạng trong quá trình hút có thể giảm
Giác hút loại phẳng mỏng có gân là lựa chọn lý tưởng cho các phôi mềm như tấm mỏng hoặc nhựa vinyl, giúp dễ dàng lấy phôi nhờ vào các gân Đối với việc hút tấm carton phẳng, việc chọn giác hút phù hợp là rất quan trọng Theo catalog của SMC, giác hút loại phẳng và có gân (ZP3C Series) là sự lựa chọn tối ưu.
Hình 5.4: Cụm van giác hút [13]
Hình 5.5: Giác hút ZP3C Series trong catalog SMC [13]
Đường kính của giác hút dựa trên các thông số kỹ thuật
- D: Đường kính giác hút (mm)
- M: Khối lượng thùng carton (kg)
- S: Hệ số an toàn, trong trường hợp này chọn S = 8
Các thông số đầu vào trong mô hình của máy như sau:
Bảng 5.1: Các thông số đầu vào trong mô hình máy
Các thông số Giá trị
Khối lượng thùng max (50x50x50) (0,5x0,5x4+0,5 x 0,5 x2)x300(gsm) = 0,45kg
Số lượng giác hút n: n = 4 Áp suất hút P (-kPa): -50 (kPa)
Tuy nhiên, để đạt được độ ổn định của thùng sau khi hút thì quyết định chọn D = 40 (mm)
Hình 5.6: Bảng tra thông số kỹ thuật của giác ZP3C Series [22]
Diện tích tiếp xúc trên một giác hút:
Lực hút trên một giác hút:
Tính toán thiết kế cụm băng tải
5.3.1 Tính toán đường kính trục vít me
Hình 5.7: Cơ cấu cụm băng tải
- 𝑚 𝑏𝑡 : Khối lượng của một băng tải được đo trong phần mềm
- Chọn vật liệu trục vít me là thép C45 có [N] = 50 (MPa)
Hình 5.8: Biểu đồ phân tích lực phân bố trên trục
Hình 5.9: Biểu đồ moment phân bổ trên một trục
→ Ta có đường kính trục: d =√ 𝑀 𝑥
5.3.2 Tính toán lựa chọn động cơ cho băng tải
Hình 5.10: Băng tải PVC sử dụng trong mô hình
Hình 5.11: Các thông số cần quân tâm để tiến hành tính toán băng tải [13]
- Các bước tính toán lựa chọn motor giảm tốc cho băng tải dạng belt như sau:
Bước 1: Thông số đầu vào
Bảng 5.2 Thông số đầu vào của băng tải
Các thông số Giá trị
Vận tốc băng tải V 220mm/s
Khối lượng thùng max (50 x 50 x 50) 0,45kg
Hệ số ma sát 0,3 Đường kính của một con lăn (roller) D 60mm=0,06m
Khối lượng của một con lăn (roller) m 1,25kg
Khối lượng dây belt trên một diện tích chiều dài: 2,5kg/m 2
Tổng khối lượng dây belt M= 0,22 2,5=0.55kg
Bước 2: Tính tốc độ quay của động cơ băng tải (dựa trên [13])
- Tốc độ quay của động cơ băng tải [13]:
Bước 3: Tính toán tỉ số truyền của hộp số (dựa trên [13])
Theo cataloge của Oriental Series cho động cơ KII,
- Động cơ quấn dây 4 cực,
- Tốc độ định mức trong khoảng từ 1200 ~ 1300 v/ph
Do đó tính được sơ bộ tỉ số truyền của hộp số là: i = 1200 ~ 1300
=>Theo catalog ta chọn tỉ số truyền gần nhất là i = 18
Bước 4: Tính moment xoắn trục động cơ (dựa trên [13])
Tổng lực tác dụng lên động cơ:
Moment xoắn đầu ra trục hộp số cần thiết là:
𝑇 𝐿 = 3.0,088 = 0,264 N.m Moment xoắn trên trục động cơ cần thiết là:
Bước 5: Kiểm tra moment quán tính của tải (dựa trên [13])
Moment quán tính của dây belt và phôi thùng di chuyển:
2𝜋 ) 2 = 9 10 −4 kg.𝑚 2 Moment quán tính của trục lăn :
8.1,25.60.10 −3 = 9,375.10 −3 kg.𝑚 2 Tổng moment quán tính của tải:
Dựa vào kết quả tính toán:
- Moment quán tính cho phép J = 19,65.10 −3 kg.𝑚 2
=>Tham khảo cataloge của hãng chọn được:
- Mã động cơ 5IK40GN-CW2E
Tra theo catalog ta có:
- Công suất của động cơ P = 40W
- Moment quán tính cho phép trên trục đầu ra hộp số: 243 kg.𝑚 2
- Moment khởi động của động cơ là 200mN.m lớn hơn so với 𝑇 𝑀 cần thiết
=> Do đó mã động cơ và mã hộp số đều thỏa mãn điều kiện về tải
Hình 5.12: Bảng tra thông số kỹ thuật củađộng cơ 5IK40GN – CW2E [23]
Bước 6: Kiểm tra vận tốc của băng tải (dựa trên [13])
- 𝑁 𝑀 : Tốc độ định mức ở điện áp 220V, 50Hz của động cơ
- V: là tốc độ của băng tải sau khi kiểm tra
- D: là đường kính con lăn
- i: tỉ số truyền của hộp số
Tính toán thiết kế cụm gập 2 mép lớn
5.4.1 Tính toán đường kính trục vít me
Hình 5.13: Cơ cấu gập 2 mép lớn
Xi lanh dẫn động có đường kính Piston D = 40 mm
Do đó lực tác động của xi lanh là:
- D: đường kính piston xi lanh (mm)
- P: Áp suất khí nén (MPa)
Tra theo catalog bánh răng của Misumi về moment cần truyền cho phép ta chọn được:
Hình 5.14: Bảng tra thông số kỹ thuật của bánh răng trụ răng thẳng của Misumi [22]
- Tỉ số truyền i = 1 (2 bánh răng giống nhau)
- Đường kính vòng chia d = 48 mm
- Đường kính đỉnh răng D = 52 mm
- Đường kính chân răng G = 43 mm
- Moment xoắn cho phép: 57,96 (N.m) > 47.1 (N.m) => Thõa điều kiện
Hình 5.15: Sơ đồ phân bổ lực tác dụng lên trục
Hình 5.16: Sơ đồ phân bố lực lên trục
Hình 5.17: Sơ đồ phân bổ lực trên trục
- Phản lực tác dụng lên 2 gối:
Với tải trọng nhỏ và lực hướng tâm, dùng ổ bi đỡ 1 dãy cho 2 đầu với điều kiện trục lắp ổ bi d mm, tra phụ lục (Bảng P2.7 Ổ BI ĐỠ MỘT DÃY)
=>Chọn cỡ ổ nhẹ 204, có khả năng:
Kiểm tra khả năng tải tĩnh của ổ lăn chịu lực 𝐹 𝑡𝑚𝑎𝑥 là cần thiết, đặc biệt khi ổ không quay hoặc có số vòng quay n < 1 (vòng/phút) Việc lựa chọn ổ lăn cần dựa trên khả năng tải tĩnh để đảm bảo không xảy ra biến dạng.
- 𝑄 0 : khả năng tải tĩnh (kN)
- 𝐶 0 : tải trọng tĩnh quy ước (kN)
Với 𝑋 0 = 0,6 (tra bảng phụ lục 11.6)
=>Vậy 𝑄 0 = 881,79 (kN) < 𝐶 0 = 6,3 (𝑘𝑁) Nên khả năng tải tĩnh của ổ được đảm bảo
5.4.3 Tính toán thiết kế hình học
Các thông số đầu vào dựa theo mục đích hoạt động của cơ cấu trong mô hình, ta có:
- Chọn xilanh có đường kính trong 40mm
- Dùng xilanh dẫn động cơ cấu quay một góc 85°
Hình 5.18: Cụm gập mép đáy thùng carton
Tính hành trình của xilanh đáp ứng yêu cầu:
Hình 5.19: Phác thảo góc quay của cơ cấu gập mép Để cơ cấu quay một góc 85° thì hành trình xilanh phải bằng đoạn AB
2 ) = 101,34 mm Tra theo cataloge loại xi lanh SC40 của Airtac để xác định hành trình:
Hình 5.20: Bảng tra catalog của xilanh SC40 của Airtac [12]
=>Từ đó chọn được xilanh có hành trình gần nhất là 100mm
Tính toán vị trí đặt khớp xoay phù hợp của xilanh:
Sau khi xác định hành trình của xilanh, cần lựa chọn các phụ kiện phù hợp như khớp xoay xilanh và vòng bi mắt trâu Tiếp theo, hãy xác định khoảng cách giữa hai tâm xoay trong hai trạng thái khác nhau của xilanh.
Hình 5.21: Hình ảnh mô tả khoảng cách khớp xoay của xilanh
Khoảng cách 2 khớp xoay khi xilanh ở trạng thái về hết hành trình: dmin = 309mm
Khoảng cách 2 khớp xoay khi xilanh ở trạng thái ra hết hành trình: dmax = 409mm
Phác thảo cơ cấu trên phần mềm để xác định vị trí đặt khớp xoay của xilanh:
- A là vị trí trạng thái hành trình xilanh nhỏ nhất (0mm)
- B là vị trí trạng thái hành trình xilanh lớn nhất (100mm)
Từ điểm A vẽ đường tròn bán kính là dmin = 309mm
Từ điểm B vẽ đường tròn bán kính dmax = 409mm Điểm đặt khớp xoay của xilanh cần tìm là giao điểm của 2 đường tròn này
Hình 5.22: Phác thảo đường tròn để xác định vị trí khớp xoay của xi lanh
=> Sau khi phát thảo cơ cấu thu được 2 giao điểm C và D Xét tính khả thi của 2 điểm chọn được điểm D
Thiết kế cơ cấu gập 2 mép nhỏ
Các thông số đầu vào dựa theo mục đích hoạt động của cơ cấu trong mô hình, ta có:
- Chọn xi lanh có đường kính trong 25mm
- Dùng xilanh dẫn động cơ cấu quay một góc 90°
Hình 5.23: Tính toán xilanh trong cụm gập mép nhỏ
Tính hành trình của xi lanh đáp ứng yêu cầu
Hình 5.24: Phác thảo đường tròn biểu diễn hành trình của xilanh Để cơ cấu quay một góc 90° thì hành trình xilanh phải bằng đoạn AB
2 ) = 77,78 mm Tra cataloge loại xi lanh MAL25 của Airtac để xác định hành trình tiêu chuẩn:
Hình 5.25: Bảng tra catalog xilanh của Airtac loại MAL25 [12]
=> Từ đó chọn được xilanh có hành trình gần nhất là 75mm
Tính toán vị trí đặt khớp xoay phù hợp của xilanh:
Sau khi xác định hành trình của xilanh, việc chọn lựa các phụ kiện phù hợp như khớp xoay xilanh và vòng bi mắt trâu là rất quan trọng Tiếp theo, cần xác định khoảng cách giữa hai tâm xoay trong hai trạng thái khác nhau của xilanh.
Hình 5.26: Phác thảo khoảng cách hành trình của xilanh
Khoảng cách 2 khớp xoay khi xilanh ở trạng thái về hết hành trình: dmin = 230,5mm
Khoảng cách 2 khớp xoay khi xilanh ở trạng thái ra hết hành trình: dmax = 305,5mm
Phác thảo cơ cấu trên phần mềm để xác định vị trí đặt khớp xoay của xilanh:
- A là vị trí trạng thái hành trình xilanh nhỏ nhất (0mm)
- B là vị trí trạng thái hành trình xilanh lớn nhất (75mm)
Từ điểm A, hãy vẽ một đường tròn có bán kính dmin = 230,5mm và từ điểm B, vẽ một đường tròn có bán kính dmax = 305,5mm Điểm khớp xoay của xilanh cần xác định chính là giao điểm của hai đường tròn này.
Hình 5.27: Phác thảo đường tròn biểu diễn hành trình của xi lanh
=> Sau khi phát thảo cơ cấu thu được 2 giao điểm C và D Xét tính khả thi của 2 điểm chọn được điểm C
5.6 Lựa chọn vị trí cảm biến quang điện
- Khoảng cách xa nhất từ cảm biến đến vị trí đặt tấm carton phẳng (701mm)
- Thời gian cần đáp ứng dưới 2 ms
- Có thể điều chỉnh được khoảng cách hoạt động cần thiết
Hình 5.28: Khoảng cách từ vị trí cảm biến đến tấm carton phẳng
Dựa trên các yêu cầu trên ta có thể chọn loại cảm biến quang điện
Cảm biến quang điện là thiết bị quan trọng trong ngành công nghiệp sản xuất, giúp phát hiện sự hiện diện hoặc vắng mặt của các đối tượng Chúng hoạt động bằng cách chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất.
Tra catalog (phụ lục) cảm biến quang BJX Series của AUTONICS ta chọn được cảm biến mã BJX10M-TDT-C-P.
CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM, THỰC NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ
Chế tạo thử nghiệm
6.1.1 Chế tạo cụm dán keo
- Tiến hành xem xét các chi tiết để gia công
- Thực hiện theo trình tự từ chi tiết đơn giản đến các chi tiết lớn và phức tạp
Hình 6.1:Gia công trên máy CNC
Hình 6.2: Cụm dán keo sau khi hoàn chỉnh
Hình 6.3: Thực hiện các mối hàn
Hình 6.4: Khung máy sau khi đã hoàn thành
- Lắp đặt động cơ giảm tốc AC
Hình 6.5: Lắp đặt dây belt
Hình 6.6: Băng tải sau khi được lắp lên máy
Hình 6.7: Các cụm van giác hút sau khi được gắn trên mô hình
Lắp đặt các cụm xilanh lấy thùng
Hình 6.8: Lắp đặt xilanh khí nén lên cơ cấu
Lắp đặt các cụm xilanh đẩy thùng
Hình 6.9: Lắp đặt cụm xilanh đẩy thùng trên máy
Lắp đặt các cụm xilanh gấp 2 mép lớn
Hình 6.10: Lắp đặt cụm xilanh gấp 2 mép lớn
Lắp đặt các thiết bị điện
Hình 6.11: Bảng điện sau khi đã hoàn thành
Hình 6.12: PLC tích hợp HMI được gắn trên máy
Hình 6.13: Lưu đồ giải thuật của máy
Sơ đồ chức năng IO của PLC
Bảng 6.1: Bảng chức năng các chân I/O của PLC
Input Chức năng Output Chức năng
𝑿 𝟎 Start 𝒀 𝟎 Xi lanh hút ra
𝑿 𝟐 Sensor xi lanh ra hút 𝒀 𝟐 Giác hút
𝑿 𝟑 Sensor xi lanh về hút 𝒀 𝟑 Gập mép nhỏ off
𝑿 𝟒 Gập mép nhỏ off 𝒀 𝟒 Gập mép nhỏ on
𝑿 𝟓 Gập mép nhỏ on 𝒀 𝟓 Gập mép lớn off
𝑿 𝟔 Gập mép lớn on 𝒀 𝟔 Gập mép lớn on
𝑿 𝟕 Gập mép lớn off 𝒀 𝟕 Xi lanh đẩy thùng on
𝑿 𝟏𝟎 Xi lanh đẩy thùng off 𝒀 𝟏𝟎 Xi lanh đẩy thùng off
𝑿 𝟏𝟑 Sensor nhận biết thùng ra
Biểu đồ trạng thái khí nén
Sơ đồ 6.1: Sơ đồ trạng thái biểu diễn hành trình xilanh
Sơ đồ mạch động lực khí nén
Sơ đồ 6.2: Sơ đồ mạch động lực khí nén
Sơ đồ đấu nối IO của PLC
Sơ đồ 6.3: Sơ đồ đấu nối IO của PLC
Sơ đồ đấu nối relay băng tải
Sơ đồ 6.4: Sơ đồ đấu nối relay băng tải
Mô hình máy sau khi hoàn thiện
Hình 6 14: Mô hình máy sau khi đã hoàn thiện
Hình 6.15: Mô hình máy sau khi đã hoàn thiện trên thực tế
Hình 6.16: Mô hình máy sau khi đã hoàn thiện (2)
Hình 6.17: Mô hình máy sau khi đã hoàn thiện (3)
Các bước vận hành máy
6.3.1 Giao diện sử dụng máy
Hình 6.18: Bảng điều khiển của máy
- Trên bảng điều khiển của máy ta có các chức năng như sau: o START: o STOP o RESET o POWER o EMERGENCY o MÀN HÌNH HMI
POWER: Nút nguồn khởi động
START: Bắt đầu thực hiện
RESET: Tất cả xi lanh quay về trạng thái ban đầu
EMERGENCY: Nút dừng khẩn cấp MÀN HÌNH HMI
6.3.2 Các thao tác sử dụng máy
Bước 1: Sau khi nhấn nút POWER trên màn hình HMI chúng ta có các chế độ như sau:
- XOA BO DEM: Xóa hết các thông số đã được thực hiện trước đó
- SẢN LƯỢNG: Đếm số thùng carton dán được nhờ cảm biến được đặt tại nơi thùng carton đi ra
- SỐ PHÔI: Được người dùng nhập vào số lượng cần dán kín mặt đáy
- Và 3 chế độ AUTO – MANUAL – STEP BY STEP
Hình 6.19: Màn hình HMI trên mô hình máy
Bước 2: Lựa chọn chế độ (AUTO – MANUAL – STEP BY STEP) để thực hiện:
1 Nhập số lượng thùng carton cần dán đáy vào máy
Hình 6.20: Vị trí nhập số lượng thùng carton
Hình 6.21: Chọn chế độ AUTO cho máy
3 Nhấn nút START để bắt đầu thực hiện
Hình 6.22: Nhấn START để thực hiện
1 Chọn vào chế độ MANUAL trên màn hình HMI
Hình 6.23: Chọn chế độ MANUAL cho máy
2 Màn hình sẽ hiện ra các chức năng cho người dùng muốn thực hiện như sau:
Xilanh hút thùng ON/OFF
Xilanh gấp 2 mép nhỏ ON/OFF
Xilanh gấp mép lớn ON/OFF
Xilanh đẩy thùng ON/OFF
Hình 6.24: Các chức năng trong chế độ MANUAL
3 Nhấn vào để thực hiện từng chức năng cụ thể như trên hình
Các chức năng xilanh trong chế độ MANUAL
Với chế độ STEP BY STEP:
1 Chọn chế độ STEP BY STEP như trên màn hình
Hình 6.25: Chọn chế độ STEP BY STEP trên màn hình
2 Lựa chọn chức năng muốn thực hiện tiếp theo NEXT STEP
Hình 6.26: Xilanh hút thùng đi ra trong chế độ STEP BY STEP
Hình 6.27: Xilanh thực hiện gấp mép thùng trong chế độ STEP BY STEP
Hình 6.28: Xilanh đẩy thùng vào băng tải trong chế độ STEP BY STEP
Tiến hành thực nghiệm
Phương pháp tổ chức thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm thùng carton ở 2 chế độ
Hướng dẫn từng bước để điều chỉnh vị trí cảm biến, khoảng cách giữa các giác hút, mức độ van tiết lưu và khoảng cách giữa hai băng tải Sau đó, lựa chọn các điều kiện lý tưởng để tiến hành thực nghiệm ở chế độ AUTO cho các kích thước thùng khác nhau nhằm kiểm tra năng suất.
Phương pháp đánh giá: Đánh giá chất lượng của máy thông qua các thông số
- Độ chắc chắn của keo dán trên thùng
- Độ chính xác đường keo
- Số lượng thùng carton chờ tối đa
Phương pháp thu thập số liệu bắt đầu bằng việc điều chỉnh vị trí cảm biến và khoảng cách cụm giác hút, cùng với mức độ van tiết lưu trong điều kiện lý tưởng Sau đó, 10 thùng carton được đưa lên máy dán ở chế độ AUTO, thực nghiệm diễn ra cho đến khi cảm biến X1=0 nhận diện hoàn toàn phôi Mỗi đợt thử nghiệm sẽ sử dụng kích thước thùng khác nhau nhằm kiểm tra năng suất.
- Với kích thước thùng carton size nhỏ ta chọn: 20x20x15 cm
- Với kích thước thùng carton size trung bình ta chọn: 30x25x15 cm
- Với kích thước thùng carton size lớn ta chọn: 50x50x50 cm
Bảng 6.2: Bảng kích thước thùng carton
Van tiết lưu AS2201F điều chỉnh tốc độ xi lanh với 12 mức xả khí khác nhau Nhóm nghiên cứu sẽ tiến hành thử nghiệm ở ba chế độ: thấp, trung bình và cao Các thử nghiệm sẽ được chia thành ba lần, tương ứng với các mức độ 4, 8 và 12.
Hình 6.29: Van tiết lưu AS2201F
Thử nghiệm với thùng carton kích thước size vừa 30x25x15 cm với chế độ STEP BY STEP thu được kết quả
Bảng 6.3: Bảng kết quả thử nghiệm thùng vừa với chế độ STEP BY STEP
Mức van tiết lưu Mức 4 Mức 8 Mức 12
Tính ổn định cơ khí Ổn định Ổn định Không ổn định
Chất lượng nếp gấp Đạt Đạt Không đạt
Chất lượng đường dán keo Đạt Đạt Không đạt
Mức van tiết lưu 4 mang lại tính ổn định cơ khí vượt trội, với chất lượng nếp gấp và đường dán keo đạt tiêu chuẩn Tuy nhiên, thời gian hoàn thành sản phẩm ở mức này kéo dài hơn so với các mức van khác.
Mức van tiết lưu 8 đảm bảo sự ổn định cơ khí, giúp rút ngắn chu kỳ hoàn thành sản phẩm Chất lượng nếp gấp và đường dán keo đều đạt tiêu chuẩn, cho thấy đây là mức van tiết lưu tối ưu nhất về thời gian và chất lượng.
Mức van tiết lưu 12 không đảm bảo tính ổn định cơ khí, mặc dù chu kỳ hoàn thành sản phẩm ngắn Chất lượng nếp gấp và đường dán keo không đạt yêu cầu, không phù hợp cho sản xuất.
Kết luận =>Chọn mức van tiết lưu ở mức 8 cho tất cả xi lanh để tiến hành thực nghiệm với chế độ AUTO
Thử nghiệm với thùng carton kích thước size lớn 50x50x50 cm với chế độ AUTO số lượng 10 thùng lần 1
Bảng 6 4: Bảng kết quả thử nghiệm 10 thùng kích thước lớn với chế độ AUTO
STT Chất lượng nếp gấp Chất lượng đường dán keo
Bảng 6.5: Bảng tổng hợp kết quả thử nghiệm cho kích thước thùng size lớn lần 1
Số lượng thùng đạt yêu cầu Kết quả Nguyên nhân Hình ảnh
Thùng bị ngã trước khi cụm lấy và mở thùng đến gấp phôi
Do thanh chặn trên cụm cấp thùng cao hơn so với chiều cao thực tế của thùng
Thử nghiệm với thùng carton kích thước size lớn 50x50x50 cm với chế độ AUTO số lượng 10 thùng lần 2 sau khi điều chỉnh
Bảng 6.6: Bảng tổng hợp kết quả thử nghiệm cho kích thước thùng lớn lần 2 Điều chỉnh Kết quả
Số lượng thùng đạt yêu cầu
Hình ảnh Điều chỉnh thanh chặn thùng bằng chiều cao thực tế của thùng
Thùng không còn bị ngã trước khi cụm lấy và mở thùng đến gấp phôi
Vẫn còn 2 thùng chất lượng đường dán keo chưa đảm bảo tính thẩm mỹ
Thử nghiệm với thùng carton kích thước size nhỏ 20x20x15 cm với chế độ AUTO số lượng 10 thùng lần 1
Bảng 6.7: Bảng thông số kết quả thử nghiệm cho kích thước thùng nhỏ lần 1
STT Chất lượng nếp gấp Chất lượng đường dán keo
Bảng 6.8: Bảng tổng hợp, phân tích kết quả thử nghiệm lần 1 cho kích thước thùng nhỏ
Số lượng thùng đạt yêu cầu Vấn đề Nguyên nhân Hình ảnh
2 mép lớn của thùng carton
Do độ cao của 2 tay gập mép lớn cao hơn bề mặt thiết kế nên khi gập 2 mép lớn gặp tình trạng bị kẹt và không gập được
Thử nghiệm với thùng carton kích thước size nhỏ 20x20x15 cm với chế độ AUTO số lượng 10 thùng lần 2 sau khi điều chỉnh
Bảng 6.9: Bảng thông số kết quả thử nghiệm cho kích thước thùng nhỏ lần 2 Điều chỉnh Kết quả Số lượng thùng đạt yêu cầu Hình ảnh
Hạ thấp độ cao của
2 tay gập mép lớn phù hợp với độ cao của thùng
Thùng không còn bị tình trạng kẹt khi gập
Vẫn còn 1 thùng chất lượng đường dán keo chưa đảm bảo tính thẩm mỹ
Sau một học kỳ nghiên cứu và phát triển đề tài tốt nghiệp “Thiết kế và chế tạo mô hình máy mở và dán thùng carton”, nhóm sinh viên ngành Công Nghệ Kỹ thuật Cơ khí thuộc khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã hoàn thành các yêu cầu thiết kế và chế tạo mô hình thành công.
- Một mô hình máy mở và dán thùng carton hoàn chỉnh với đầy đủ các bộ phận đáp ứng được mục tiêu thiết kế
- Máy vận hành một cách ổn định, khung máy chắc chắc và an toàn cho người sử dụng
- Hoạt động với năng suất 8-10 thùng carton/phút
- Một bảng điều khiển và thao tác ngay trên màn hình HMI
- Hoàn thành mô hình 3D và tập bản vẽ 2D Đề nghị:
Để nâng cao chất lượng đồ án, nhóm chúng em đề xuất một số biện pháp nhằm khắc phục những khuyết điểm hiện tại và cải thiện hiệu quả công việc.
- Thiết kế một hệ thống điều chỉnh kích thước cho thùng carton tự động
- Thiết kế thêm hệ thống tự động sắp xếp sử dụng băng tải xích để cung cấp phôi liên tục với số lượng nhiều hơn
- Tăng công suất hoạt động của băng tải để có thể tăng thêm năng suất hoạt động của máy
- Dây belt băng tải còn bị trượt trong quá trình hoạt động, nên đề xuất là sử dụng loại dây belt nhám để tăng ma sát
- Bổ sung thêm con lăn và lò xo vào băng tải nhằm tăng độ đàn hồi, dễ điều chỉnh cho thùng carton với các loại kích thước khác nhau
[1] Trịnh Chất và Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí tập 1,NXB Giáo dục, tháng 02 năm 2006
[2] Trịnh Chất và Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí tập 2, NXB Giáo dục, tháng 02 năm 2006
[3] Nguyễn Hữu Lộc, Cơ sở thiết kế máy, NXB ĐHQG TP.HCM năm 2013
[4] MISUMI, Linh kiện tiêu chuẩn cơ khí tự động hóa, Việt Nam năm 2017
[5] Lê Hiếu Giang, Đặng Minh Phụng, Thái Văn Phước, Quách Thanh Hải, Máy và hệ thống điều khiển số, NXB ĐHQG TP.HCM năm 2020
[6] PGS TS Lê Hiếu Giang – TS Nguyễn Thị Hồng Minh, Công nghệ thủy lực và khí nén, NXB ĐHQG TP.HCM năm 2013
[7] Nguyễn Ngọc Long, Nghiên cứu thiết kế và điều khiển tay máy gắp các thùng carton sắp xếp trên pallet, Luận văn thạc sĩ, Đ.H HUTECH, TP.HCM tháng 8 năm 2015
[8] Bùi Đăng Dương, Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy đóng gói chai tự động, Đồ án tốt nghiệp, ĐH SPKT TP.HCM, TP.HCM 27/12/2023
[9] Công ty CNC VINA, Khám phá các loại máy dán thùng carton, hướng dẫn cho người mua, ngày 16/10/2023
[10] MISUMI, Selection of transmission Timing Belts, 6/2023
[11] Yuyi Zhai, Le Wang, Yunjia Liu, Tao Jiang and Houyong Jiang, The Design of Automatic Carton Packing System of Tobacco Based on STM32, (IoTAIMA 2021), Hangzhou China, 14 from 16/05/2021
[12] AIRTAC, Mini cyclinder (Aluminium Barrel), link: MAL Series Cylinder AirTAC - MAL Series, 2024
[14] Motor Selection Example – Pulley Mechanism
[15] Catalog for Selection Oriental Motor
[16] IBN, Phạm Linh, Bảng size kích thước thùng carton tiêu chuẩn, 17/10/2023
Máy mở thùng carton KM-30H15 là sản phẩm tự động giúp gấp mở và dán thùng một cách nhanh chóng và hiệu quả Được phân phối bởi Điện Máy Khôi Minh, máy này mang lại giải pháp tiết kiệm thời gian và chi phí cho các doanh nghiệp Với giá cả cạnh tranh nhất trên thị trường, KM-30H15 là lựa chọn lý tưởng cho những ai cần xử lý thùng carton một cách dễ dàng và tiện lợi.
[18] ĐIỆN MÁY KHÔI MINH, Máy Mở Thùng Carton KM 40 – H5, Tự Động Gấp Mở Và
Máy mở thùng carton tự động KM-40H50 là giải pháp tiết kiệm chi phí và chất lượng tốt nhất cho việc mở và dán thùng carton Sản phẩm Máy Mở Thùng Carton KH40 – H5 tự động gấp mở và dán, giúp tăng hiệu quả làm việc và giảm thời gian xử lý Khám phá ngay để nâng cao năng suất công việc của bạn!
[19] TRÍ VIỆT, Máy Dựng Thùng Carton Dạng Thẳng Cer03, link: MÁY DỰNG THÙNG
CARTON DẠNG THẲNG CER03 - Máy tự động Trí Việt (trivietindustry.com), 2/2023
[20] CƠ KHÍ THANH DUY, Cấu tạo nguyên lý hoạt động và phân loại xi lanh khí nén, link:
Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phân loại xi lanh khí nén.(cokhithanhduy.com), 10/2020
Băng tải là một thiết bị quan trọng trong ngành công nghiệp, giúp vận chuyển hàng hóa một cách hiệu quả và tiết kiệm thời gian Cấu tạo của băng tải bao gồm các bộ phận chính như dây băng, khung và động cơ, mỗi bộ phận đóng vai trò thiết yếu trong quá trình vận hành Băng tải được phân loại thành nhiều loại khác nhau, như băng tải cao su, băng tải xích và băng tải con lăn, tùy thuộc vào ứng dụng và yêu cầu cụ thể Ứng dụng của băng tải rất đa dạng, từ sản xuất, chế biến thực phẩm đến kho vận, giúp tối ưu hóa quy trình làm việc và giảm thiểu chi phí lao động.
[22] MISUMI, Spur Gear, link: Spur Gears - Gears | MISUMI (misumi-ec.com), 2023
[23] MISUMI, Introduction Motor, link: 5IK40GN-ST | Induction Motor, K Series |
ORIENTAL MOTOR | MISUMI Vietnam (misumi-ec.com), 2023