tự động hóa sản xuất - thiết kế máy đóng gói cà phê

Các loại máy đóng gói có thể được phân loại như sau : - Máy đóng gói vật liệu dạng khối : máy đóng gói mì ăn liền , bánh kẹo , xàbông … - Máy đóng gói vật liệu dạng lỏng : máy đóng gói s

Lời mở đầu

Trong thời đại ngày nay , các loại máy móc ít nhiều đều có tính chất tự động hoặcbán tự động Đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất hàng tiêu dùng và sản xuất thực phẩm ,các hệ thống máy tự động đang ngày càng chiếm vai trò then chốt trong việc làm giảmgiá thành sản phẩm và tăng năng suất lao động Đối với khâu đóng gói sản phẩm , việc

sử dụng các loại máy tự động để thay thế cho công việc đóng gói thủ công là một đều tấtyếu vì đây là khâu tốn rất nhiều sức lao động cho những công việc lặp đi lặp lại mộtcách không cần thiết

Do đó , trong hoàn cảnh nước ta hiện nay , nhu cầu đối với các loại máy đóng gói

là rất lớn và rất đa dạng Tuy nhiên , lâu nay thị trường này vốn thuộc về các nhà sảnxuất thiết bị nước ngoài với rất nhiều ưu thế về công nghệ và kinh nghiệm , việc sảnxuất máy móc trong nước thường không đáp ứng tốt về mặt chất lượng và năng suất mặc

dù vẫn có ưu thế về giá thành Vì vậy , đòi hỏi bức bách đối với lớp kỹ sư trẻ hiện nay

là phải thiết kế những loại máy ngày càng tốt hơn trên cơ sở kế thừa những thành tựu đãđạt được của những đàn anh đi trước và mạnh dạn áp dụng các tiến bộ kỹ thuật mới nhấtcủa thế giới vào việc thiết kế và tiến tới chế tạo các loại máy móc đa dạng đáp ứng nhucầu của sản xuất và đời sống

Mặc dù việc thiết kế các loại máy công nghiệp rất phức tạp và chắc chắn khôngtránh khỏi sai xót do trình độ và kinh nghiệm thực tế của sinh viên nước ta vẫn còn thấp

so với các nước, nhưng hy vọng rằng với sự dìu dắt của các thầy cô và sự nổ lực tự thâncủa các sinh viên trẻ , trong tương lai gần chúng ta sẽ tự sản xuất được những loại máyđáp ứng được đòi hỏi của thị trường Một ngày nào đó , chúng ta sẽ bắt kịp trình độcông nghệ của thế giới Ngày đó sẽ đến !

Chương I

NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG CỦA MÁY ĐÓNG GÓI

Trong xã hội hiện nay , mọi sản phẩm sau khi sản xuất ra đều phải được baogói dưới nhiều dạng khác nhau nhằm mục đích bảo quản sản phẩm lâu dài , giữ vệ sinh ,tiện lợi trong vận chuyển , tăng tính thẩm mỹ cho sản phẩm Mặt khác , đóng góicũng là một cách để định lượng nhất là đối với những mặt hàng tiêu dùng và thựcphẩm Tùy theo hình dạng và kết cấu của sản phẩm mà có những cách đóng gói khácnhau Các loại máy đóng gói có thể được phân loại như sau :

- Máy đóng gói vật liệu dạng khối : máy đóng gói mì ăn liền , bánh kẹo , xàbông …

- Máy đóng gói vật liệu dạng lỏng : máy đóng gói sữa , dầu sa-tế , dầu gội đầu

Cơ cấu định lượng theo thể tích thường được dùng với vật liệu dạng rời , có ưuđiểm là đơn giản và dễ chế tạo nhưng không thể mang lại độ chính xác cao khi so sánhvới cơ cấu định lượng theo trọng lượng Định lượng theo thể tích có thể dùng kiểu tangquay , kiểu đĩa , kiểu vít xoắn , kiểu rung …

Vật liệu để chế tạo cơ cấu định lượng dùng trong các máy đóng gói thực phẩmthường là inox để đảm bảo tính thẩm mỹ cũng như chất lượng và vệ sinh thực phẩm Ngoài ra cũng có thể sử dụng nhựa hay các loại vật liệu khác nhưng không phổ biến

Máy đóng gói thường gặp phải sai số ở bộ phận cắt bao (cắt không đúng vị trí vạchđánh dấu) do đó phải có một cơ cấu làm nhiệm vụ bù trừ sai số này (có thể dùng hệthống bánh răng vi sai hoặc bù trong quá trình điều khiển)

Máy đóng gói cà phê được thiết kế trong đồ án này thuộc dạng máy đóng gói vậtliệu rời với kiểu định lượng bằng thể tích , có khả năng thay đổi trọng lượng cần địnhlượng và thay đổi kích thuớc bao

Chương II

THIẾT KẾ SƠ BỘ MÁY ĐÓNG GÓI CÀ PHÊ

I Yêu cầu kỹ thuật của máy

Máy dùng để đóng gói sản phẩm là gói cà phê ( ví dụ như cà phê TrungNguyên) có trọng lượng 100 ÷ 500 g / gói , năng suất từ 30 đến 45 gói trong 1 phút vớidạng bao có nếp gấp hai bên hông và ba đường hàn ( hai đầu bao và dọc theo chiềudài bao) với mặt cắt ngang có hình dạng như sau

Mặt cắt ngang của bao 100 g (khi được căng theo hai chiều) :

Hình 3

Bề rộng các mép hàn là 10 mm , độ sai lệch cho phép là 0,5 mm

Yêu cầu quan trọng của máy là phải cắt bao đúng vị trí những đường vạch trên mépbao (vạch màu trắng trên nền nâu) do đó cần có các cảm biến nhận diện vị trí cắt và phảitiến hành bù trừ đi sai số phát sinh do việc chế tạo máy không chính xác , sai số do in sai

vị trí vạch , sai số do biến dạng nhiệt của bao và của máy

Nhiệt độ cần thiết để hàn bao là khoảng 160ºC

Khung máy làm bằng thép ống vuông 40×40 mm gắn với nhau bằng mối hàn vàđược bọc bên ngoài bằng tole inox 1.5 mm

Tấm đỡ các trục là thép tấm dày 8 mm được hàn vào khung máy Đế củakhung máy cũng được làm bằng thép tấm 10 mm

Do yêu cầu về mặt chất lượng cà phê và đảm bảo vệ sinh thực phẩm nên các cơ cấutiếp xúc trực tiếp với bao gói và cà phê như các con lăn căng bao , bộ phận tạo hình ,phễu cấp liệu , trục con lăn ép , mâm gạt bột , cơ cấu định lượng đều được làm bằnginox

Dưới chân máy có thể lắp các bánh xe để di chuyển tiện lợi

Máy không được quá cao gây khó khăn cho quá trình cấp liệu

Ngoài ra , còn có các yêu cầu về mặt thẩm mỹ và kết cấu hợp lý để khi vận hànhngười công nhân không bị vướng víu gây khó khăn , yêu cầu về việc vận hành phải đơngiản , bảo quản và bảo dưỡng máy dễ dàng

II Các phương án thiết kế máy

1) Phương án 1 – Máy đóng gói hoạt động theo nhịp

Ở phương án này máy hoạt động theo nhịp sản xuất được tạo bởi ly hợp hay cơ cấuMan Vì làm việc theo nhịp , lực căng của cuộn bao gói sẽ thay đổi liên tục do đó cần có

cơ cấu điều hòa lực căng để máy hoạt động chính xác Ưu điểm của dạng thiết kế này là

hệ thống điều khiển đơn giản , mỗi khi cảm biến quang phát hiện thấy vạch định vị thì

bộ phận điều khiển phát lệnh cấp liệu và hàn (hàn dọc bao và hàn hai đầu bao đều bằngthanh kẹp , không dùng con lăn) do đó không cần hệ thống bù vi sai , hoạt động chínhxác hơn Nhược điểm lớn nhất của loại này là năng suất không cao do có những khoảngthời gian chờ giữa các động tác của các cơ cấu do ảnh hưởng của quán tính

2) Phương án 2 – Máy đóng gói hoạt động liên tục

Đây là phương án được dùng phổ biến vì cho năng suất cao Đặc điểm của hệthống loại này là luôn luôn xuất hiện sai số ở vị trí cắt giữa các gói , sai số này xuất hiện

do nhiều nguyên nhân , trong đó hai nguyên nhân chủ yếu là sai số hệ thống của máy vàsai số ngẫu nhiên ở khoảng cách của hai vạch liên tiếp trên bao gói (do sự biến dạngnhiệt hoặc do in sai vị trí) Do đó hệ thống này đòi hỏi phải có cơ cấu bù trừ sai số này,

cơ cấu này sẽ hoạt động liên tục làm cho sai số dao động trong một phạm vi cho phép Ngoài ra ta cũng có thể bù trừ sai số này bằng giải thuật điều khiển

Qua phân tích ở trên , ta thấy phương án hai đáng lựa chọn hơn vì trong hoạt độngsản xuất ngày nay , yếu tố năng suất luôn được đặt lên hàng đầu và việc chế tạo hệ thống

bù trừ sai số vị trí cắt cũng không quá phức tạp Như vậy phương án hai sẽ được sửdụng trong khuôn khổ đồ án này với việc bù trừ sai số bằng giải thuật điều khiển

III Nguyên lý làm việc của máy

Sơ đồ nguyên lý của máy :

Hình 4

Bao cuộn được đưa vào trục đỡ có gắn bạc chặn hai đầu 1, đầu bao được kéo quacác con lăn căng bao 2 và con lăn đều hòa lực căng bao bằng trọng lượng trục đến bộphận tạo hình ban đầu 4 rồi đến bộ phận tạo hình chính 5 Tại đây bao được uốn theohình dáng yêu cầu rồi đưa qua cặp con lăn ép 6 tạo nếp để đến phễu cấp liệu 7 Sau đóbao được kéo cuốn qua cảm biến quang 8 để xác định chiều dài bao , tiếp tục đến cặpcon lăn hàn 9 ( hàn dọc chiều dài bao) , rồi đến cặp con lăn cuốn bao 10 (là nguồn độnglực kéo bao) Cuối cùng bao đi đến bộ phận hàn đáy bao 11 (đồng thời hàn đầu bao củabao trước đó) và cắt Kết hợp với chuyển động cuốn bao và cắt bao là chuyển động theo

nhịp của cửa cấp liệu và chuyển động quay để trộn và cấp liệu của mâm gạt bột 13 đặtbên dưới thùng chứa liệu 12

Bao được định hình bởi bộ phận tạo hình có hình dạng như sau :

Hình 8

Hình dáng trục con lăn ép mí bao như sau :

Ổ trượt

Ống chứa cuộn điện trở

Hình 9

Vì trục con lăn hàn mí bao hoạt động ở nhiệt độ cao (khoảng 160°C) nên ta khơng

dùng ổ lăn mà dùng ổ trượt (bạc thau) tự chế tạo và được chỉnh sửa kỹ trong quá trình

chạy thử máy để đảm bảo máy hoạt động tốt ở nhiệt độ yêu cầu

Do sự sai lệch ngẫu nhiên của khoảng cách giữa hai vạch chia liên tiếp trên chiều

dài bao và sai số trong việc chế tạo các chi tiết cơ khí của máy nên sau một thời gian

vận hành máy sẽ xuất hiện sai lệch cắt bao do đĩ địi hỏi phải cĩ một cơ cấu bù sai

số Thơng thường cĩ hai dạng bù sai số là bù bằng cơ khí và bù bằng điều khiển Trong

khuơn khổ đồ án này tơi xin chọn phương pháp bù bằng cách thay đổi thời gian đĩng mở

cửa cấp liệu và đĩng mở hệ thống hàn và cắt đáy bao thơng qua một encoder đo gĩc

quay của trục cuốn kết hợp với cảm biến quang nhận diện chiều dài bao và cảm biến từ

gắn ở bộ phận hàn và cắt bao

Động cơ cần nhiều tốc độ hoạt động (để tiện cho việc cân chỉnh máy và lắp đặt bao

gĩi và hệ thống lúc đầu mỗi chu kỳ hoạt động) nên ta cần dùng bộ phận thay đổi tốc độ

động cơ , trong trường hợp này ta dùng biến tần Biến tần hoạt động theo nguyên lý

thay đổi tần số cung cấp cho động cơ dẫn đến làm thay đổi vận tốc động cơ

Chương III

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY

I Tính động học máy

Năng suất của máy : khoảng 40 gói/phút

Động cơ được sử dụng là loại động cơ ba pha không đồng bộ Do yêu cầu cần cónhững tốc độ khác nhau khi vận hành và điều chỉnh máy nên động cơ được điều chỉnhtốc độ bằng biến tần

Chọn tỷ số truyền của bộ truyền xích chính là ux = 2,5

Suy ra tỷ số truyền của hộp giảm tốc uh = 35/2,5 = 14

Ở đây ta sử dụng loại động cơ có gắn sẵn hộp giảm tốc với uh = 14

Vậy số vòng quay trục cuốn ứng với tỷ số truyền được chọn như sau

ncc = 1420/35 = 40,57 gói/phút

Năng suất thực tế ứng với số vòng quay trục cuốn :

Vận tốc dài của bao là :

ne = 40,57×5 = 202,85 vòng/phút

II Động lực học

Các lực tạo ra tải trọng trong quá trình vận hành máy bao gồm :

1 Lực quán tính của cuộn bao

2 Lực ma sát tại các ổ lăn của : trục đỡ cuộn bao , các trục căng bao , cặp trụccán mép bao , hai cặp ổ lăn của cặp con lăn cuốn bao

3 Lực ma sát sinh ra trên các cặp ổ trượt : cặp ổ trượt của cặp con lăn dẫn bao ,hai cặp ổ trượt của cặp con lăn hàn bao

4 Trọng lượng của một trục căng bao

5 Lực ma sát sinh ra giữa bao và bộ phận tạo hình (gồm bộ phận tạo hình banđầu và bộ phận tạo hình chính)

6 Lực ma sát sinh ra giữa phễu cấp liệu và bao

7 Trọng lượng của gói cà phê chưa cắt (lực này biến đổi theo chu kỳ)

8 Hao phí trên bộ truyền xích

9 Hao phí trên hộp giảm tốc

Khi máy khởi động , động cơ cần sinh ra lực kéo đủ lớn để thắng quán tính củacuộn bao , đây cũng là lúc tải trọng đặt lên động cơ là lớn nhất

Khối lượng của cuộn bao đường kính 450 mm là m = 5 kg

Suy ra trọng lượng của cuộn bao gói khoảng 50N

Trọng lượng của các bộ phận chặn hai đầu trục đỡ và ống lót là 59 N

Vậy tổng trọng lượng cần tải là

Q1 = 50 + 59 = 109N

Mô hình tính toán như sau :

F1 – lực kéo của động cơ tác động lên cuộn bao

Mqt – mômen quán tính của cuộn bao đối với tâm trục quay

m – khối lượng của cuộn bao

Từ phương trình cân bằng mômen quanh trục quay ta xác định được F :

Trong công thức trên a là gia tốc dài của bao , vì thời gian mở máy đối với động

cơ công suất nhỏ là rất nhanh nên ta lấy a = v = 0,132 m/s

2 Lực ma sát tại các cặp ổ lăn trên trục đỡ cuộn bao , các trục trung gian (7 trục), trục cán mép (2 trục) và trục hàn bao

Các lực này ta không cần tính mà chỉ cần dựa vào hiệu suất của các cặp ổ lăn (

ol= 0,99) để tăng thêm lực kéo của động cơ

Ở đây ta thấy có 11 cặp ổ lăn như lực kéo sẽ tăng thêm 1/0,9911 = 1,117 lần

3 Lực ma sát tại cặp ổ trượt trên trục cuốn

Tương tự như trên ta cũng không tính lực này mà chỉ dựa vào hiệu suất của ổtrượt (

trượt ( ot = 0,98) để tăng tương ứng lực kéo của động cơ

m

F1

Như vậy lực kéo sẽ phải tăng thêm 1/0,98 = 1,02 lần

4 Trọng lượng của trục căng bao bằng trọng lượng

Trọng lượng của trục đều hòa lực căng tính được như sau :

Q2 = 70,4 N

Kích thước trục như sau :

5 Lực ma sát sinh ra giữa bao và các bộ phận tạo hình

a) Đối với bộ phận tạo hình ban đầu

Lực căng bao tác dụng lên bao tại bộ phận tạo hình ban đầu cũng là lực kéo củađộng cơ lên các bộ phận trước bộ phận tạo hình (gồm có 7 cặp ổ lăn):

F2 = (F1 + Q)/(0,997) = 76,3 N

Lực ma sát sinh ra trên bộ phận tạo hình ban đầu :

b) Đối với bộ phận tạo hình chính

Bộ phận tạo hình chính

Bộ phận tạo hình ban đầu

Lực ma sát sinh ra trên bộ phận tạo hình ban đầu :

Fms2 = k×F3×cos85,75 = 2,6N

Như vậy lực kéo bao cần có sau bộ phận tạo hình chính là :

F4 = F3 + Fms2 = 86,1 + 2,6 = 88,7N

6 Lực ma sát sinh ra giữa bao và phễu cấp liệu

Pheãu caáp lieäu

Lực kéo cần có của động cơ sau cặp trục tạo nếp :

F7 = F6/(ηol×ηot2) = 98,6N

7 Trọng lượng của bao cà phê chưa cắt

Trọng lượng này cùng chiều với lực kéo của động cơ , do đó nó có tác dụng giảmtải trọng nhưng lại biến đổi theo chu kỳ (khi có khi không) nên ta không tính đến khixác định tải trọng

8 Hao phí trên bộ truyền xích

Hiệu suất của bộ truyền xích ηx = 0,96

Lực kéo cần có của động cơ sau bộ truyền xích là

F8 = F7/ηx = 102,7N

9 Hao phí trên hộp giảm tốc

Ta chọn động cơ tích hợp hộp giảm tốc bánh răng trụ hai cấp

Như vậy , tổn thất trên hộp giảm tốc bao gồm tổn thất trên hai bộ truyền bánhrăng (hiệu suất ηbr = 0,97 và tổn thất trên hai cặp ổ lăn ηol =0,99)

Từ các lực trên suy ra công suất trục công tác (công suất trên trục cuốn) :

Plv = F7×v/1000 = 0,013 kW

Plv – Công suất làm việc

Công suất trên trục ra của hộp giảm tốc

Ngoài ra còn có lực cần thiết để quay mâm gạt bột , lực này phải đủ lớn để chốnglại lực cản của khối lượng cà phê chứa trong thùng cấp liệu

III Hệ thống thiết bị sử dụng khí nén của máy

Máy được trang bị ba xylanh khí nén :

- Xylanh đóng mở cửa cấp liệu

IV Hệ thống nhiệt của máy

Hệ thống nhiệt của máy bao gồm :

- Cặp con lăn ép mí bao với khoảng trống bên trong mỗi trục dùng để gắn điệntrở sinh nhiệt (điện trở không tiếp xúc với thành trong của trục con lăn nên không quaytheo trục)

- Cặp thanh nhiệt hàn đầu bao (cũng là bộ phận cắt bao) có lỗ dọc theo chiều dàithân để gắn điện trở sinh nhiệt

Nhiệt cung cấp cho cả hai bộ phận hàn này được tính làm sao để duy trì nhiệt độcủa chúng ở nhiệt độ cần thiết để hàn bao (khoảng 160°C) tức là phải trừ đi lượng nhiệtmất mát do tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh (gồm truyền vào không khí và truyềnvào hộp chứa con lăn) Ở đây do lượng nhiệt cung cấp cho bao gói không lớn nên ta cóthể bỏ qua lượng nhiệt này hoặc chỉ cần nhân thêm hệ số khi tính toán

V Hệ thống điều khiển

Máy được điều khiển bằng PLC loại nhỏ (khoảng 8 ngõ vào và 4 ngõ ra)

Hệ thống cảm biến bao gồm :

- Cảm biến quang học loại phản xạ được đặt lên mí bao (gần trục con lăn cuốn)

có nhiệm vụ xác định vị trí vạch định vị trên bề mặt bao Phải đảm bảo khoảng cách củacảm biến đến bề mặt bao phù hợp để phát huy tốt khả năng của cảm biến , đồng thờiphải che chắn để chống nhiễu

- Cảm biến từ (là một công tắc từ) đặt song song với đường tâm của bộ phận cắt có nhiệm cụ tiếp nhận tín hiệu từ của nam châm vĩnh cửu đặt trên bộ phận này đểxác định thời điểm hai thanh nhiệt gặp nhau (thời điểm cắt)

hàn Encoder đo góc lấy tín hiệu từ trục con lăn ép có nhiệm vụ xác định khoảng sailệch giữa hai bao liên tiếp (với 3 vạch định vị) từ đó cung cấp số liệu cho hệ thốngtiến hành bù trừ sai số Encoder dùng loại có độ phân giải từ 50 đến 100

* Mạch động lực : máy gồm hai động cơ ba pha không đồng bộ được điều khiểnvận tốc bằng biến tần và đóng cắt bằng khởi động từ Sơ đồ mạch động lực như sau