Đồ án thiết kế và gia công máy bơm keo PVC tự động - ĐH SPKT TP.HCM

Đồ án tốt nghiệp thiết kế và gia công máy bơm keo pvc tự động, trình bày chi tiết bản vẽ kỹ thuật, nguyên lý hoạt động và quy trình chế tạo.

• Tác giả: Đào Văn Khang
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Hà Đức
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Thiết kế và gia công máy bơm keo PVC tự động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án máy bơm keo PVC tự động công nghiệp

Vật liệu nhựa PVC đóng vai trò thiết yếu trong nhiều ngành công nghiệp sản xuất hiện đại. Các sản phẩm logo, móc khóa và nhãn dệt mềm đều ứng dụng keo nhựa PVC dẻo nhờ tính đàn hồi và độ bền cơ học cao. Tuy nhiên, việc sản xuất các chi tiết này trước đây phụ thuộc phần lớn vào kỹ thuật gia công thủ công. Thao tác bơm keo bằng tay tạo ra nhiều hạn chế về mặt chất lượng cũng như thời gian hoàn thiện.

Đề tài nghiên cứu hướng đến mục tiêu thiết kế và gia công máy bơm keo PVC tự động với công suất vừa và nhỏ. Hệ thống trang bị cơ cấu truyền động nhiều trục chính xác và cụm cấp keo điều khiển khí nén. Thiết bị giúp doanh nghiệp hạ giá thành đầu tư so với máy nhập khẩu đắt tiền. Toàn bộ quy trình định lượng được lập trình bài bản trên máy tính công nghiệp. Thiết bị đảm bảo dòng keo phân bổ đồng đều tại từng vị trí biên dạng hình học phức tạp. Mô hình mở ra hướng đi thực tế cho các cơ sở gia công sản phẩm nhựa dẻo quy mô vừa tại Việt Nam.

1.1. Ứng dụng của vật liệu PVC trong ngành công nghiệp

Nhựa nhiệt dẻo PVC chiếm tỷ trọng sử dụng lớn thứ hai trên toàn cầu nhờ khả năng gia công linh hoạt. Hỗn hợp bột nhựa kết hợp phụ gia hóa dẻo tạo nên dung dịch keo có màu sắc phong phú và độ nhớt ổn định. Doanh nghiệp may mặc, giày da và quà tặng lưu niệm khai thác vật liệu này để tạo hình logo sắc nét. Keo PVC sau khi gia nhiệt giữ độ dẻo dai và không bị biến dạng dưới tác động của nhiệt độ môi trường. Nhu cầu thị trường đối với sản phẩm nhựa dẻo tăng trưởng mạnh mẽ đòi hỏi các cơ sở phải cơ giới hóa dây chuyền cấp liệu nhanh chóng.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu chế tạo thiết bị bơm keo tự động

Đề tài tập trung hoàn thiện mô hình máy bơm keo tự động phù hợp với năng lực sản xuất của hộ kinh doanh. Mục tiêu cốt lõi là làm chủ công nghệ điều khiển tọa độ chuyển động và cơ cấu định lượng áp suất keo. Thiết kế cơ khí ưu tiên tính nhỏ gọn, độ cứng vững cao và dễ bảo trì vận hành. Về mặt kinh tế, sản phẩm nội địa hóa giúp giảm phụ thuộc vào máy nhập khẩu có giá thành quá cao. Giải pháp này đem lại hiệu quả đầu tư rõ rệt cho các xưởng gia công nhỏ.

II. Phân tích thực trạng máy bơm keo PVC tự động và hạn chế

Quy trình sản xuất nhãn dán PVC truyền thống bộc lộ nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng. Người thợ dùng xilanh thủ công để ép keo vào từng rãnh khuôn kim loại nhỏ hẹp. Thao tác này đòi hỏi sự tỉ mỉ cao nhưng năng suất đạt được rất thấp. Lực bóp tay không đồng đều dẫn đến bề mặt keo lồi lõm hoặc tràn viền ngoài ý muốn. Tỷ lệ sản phẩm lỗi hỏng luôn ở mức cao gây lãng phí nguyên vật liệu đắt tiền.

Mặt khác, công nhân làm việc trong môi trường tiếp xúc liên tục với hóa chất keo sẽ chịu ảnh hưởng tiêu cực tới sức khỏe hô hấp. Các doanh nghiệp mong muốn tự động hóa nhưng vấp phải rào cản tài chính lớn. Thị trường hiện chỉ có các dòng máy ngoại nhập quy mô cồng kềnh với chi phí bảo trì đắt đỏ. Những cơ sở sản xuất vừa và nhỏ không đủ tiềm lực tài chính để tiếp cận hệ thống này. Do đó, bài toán đặt ra là cần phân tích nguyên nhân gốc rễ và xây dựng một cấu hình máy tối ưu hóa chi phí chế tạo.

2.1. Nhược điểm của quy trình bơm keo thủ công truyền thống

Phương pháp chiết keo bằng tay bộc lộ hạn chế lớn về độ chuẩn xác hình học. Người vận hành dễ mệt mỏi sau nhiều giờ làm việc liên tục, khiến lưu lượng keo cấp vào khuôn bị dao động thất thường. Lượng keo không đồng nhất làm chi tiết nhựa sau khi sấy khô có độ dày không chuẩn xác. Tốc độ thực hiện thủ công chậm chạp không thể đáp ứng các đơn hàng may mặc số lượng lớn. Ngoài ra, việc pha trộn và tiếp xúc trực tiếp với hợp chất hóa dẻo trong không gian kín gây nguy hại lâu dài cho sức khỏe người lao động.

2.2. Khó khăn khi tiếp cận các dòng máy công nghiệp nhập khẩu

Hầu hết thiết bị bơm keo tự động trên thị trường hiện nay đều phải nhập khẩu nguyên chiếc từ nước ngoài. Mức chi phí đầu tư ban đầu quá cao so với khả năng chi trả của các xưởng sản xuất nhỏ. Bên cạnh đó, hệ thống điều khiển ngoại nhập thường đóng kín, gây khó khăn cho việc lập trình tùy biến mẫu mã mới. Khi máy xảy ra sự cố kỹ thuật, việc tìm kiếm linh kiện thay thế mất nhiều thời gian và chi phí đắt đỏ. Sự thiếu hụt hỗ trợ kỹ thuật trực tiếp tạo ra rủi ro gián đoạn dây chuyền kéo dài.

III. Giải pháp thiết kế và gia công máy bơm keo PVC tự động

Nhóm nghiên cứu đã tính toán và phát triển thành công giải pháp cơ điện tử toàn diện cho máy bơm keo PVC tự động. Hệ thống cơ khí sử dụng kết cấu khung kim loại vững chắc nhằm triệt tiêu rung động trong quá trình vận hành tốc độ cao. Trục dẫn hướng X sử dụng trục trơn kết hợp vít me bi có đường kính 12mm và bước vít 4mm. Động cơ bước điều khiển chuyển động tịnh tiến được tính toán kỹ lưỡng theo biểu đồ gia tốc hình thang để loại bỏ hiện tượng giật cục.

Cụm đầu bơm keo tích hợp xilanh khí nén điều khiển đóng mở van xả với độ nhạy cao. Bộ điều khiển trung tâm gửi xung tín hiệu định vị tọa độ chính xác theo bản vẽ CAD nhập vào. Nhờ đó, đường keo chảy ra ổn định, sắc nét và bám sát từng góc cạnh nhỏ của khuôn mẫu. Chi phí gia công chế tạo trong nước giảm hơn 60% so với việc mua sắm máy ngoại nhập. Hệ thống đạt độ tin cậy cơ học cao, đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật chiết rót keo liên tục.

3.1. Tính toán cơ khí và lựa chọn bộ truyền động vít me bi

Khâu tính toán cơ cấu trục X đóng vai trò then chốt trong việc bảo đảm độ chính xác của đầu phun keo. Dựa trên khối lượng tải trọng 5kg và hệ số ma sát mặt trượt 0.05, nhóm đã xác định biểu đồ nội lực và mô-men uốn nguy hiểm. Trục trơn đường kính 12mm thỏa mãn điều kiện bền uốn và xoắn. Vít me bi thép đường kính 12mm dài 600mm bảo đảm hiệu suất truyền động đạt 90%. Động cơ bước được cài đặt độ phân giải góc tối ưu, giúp bàn máy dịch chuyển êm ái mà không bị mất bước khi đổi hướng.

3.2. Thiết kế hệ thống điều khiển và cụm xilanh bơm keo

Cụm cấp keo được thiết kế đa đầu bơm để phục vụ việc tạo hình các sản phẩm đa màu sắc cùng lúc. Mỗi đầu bơm liên kết trực tiếp với van điều áp và xilanh khí nén để kiểm soát lưu lượng dòng keo ngắt quãng chính xác. Mạch điều khiển nhận lệnh từ phần mềm nội suy chuyển động CNC, phân phối xung điều khiển đồng bộ giữa các trục X, Y, Z. Thời gian đáp ứng đóng mở van đạt mức mili giây, ngăn chặn triệt để hiện tượng nhỏ giọt keo dư thừa lên bề mặt khuôn mẫu.

IV. Ứng dụng thực tiễn của máy bơm keo PVC tự động hiệu quả

Việc hoàn thiện đề tài mang lại giá trị thực tiễn to lớn cho ngành gia công may mặc và quảng cáo. Máy bơm keo PVC tự động đã được kiểm thử thực tế trên nhiều mẫu khuôn logo phức tạp và cho ra sản phẩm hoàn thiện đạt tiêu chuẩn cao. Bề mặt keo sau khi đông đặc có độ đồng đều hoàn hảo, không xuất hiện bọt khí hay ba via tràn viền. Năng suất lao động tăng gấp 4 lần so với phương thức đổ keo thủ công bằng tay truyền thống.

Mô hình máy nhỏ gọn cho phép bố trí linh hoạt trong các phân xưởng có diện tích hạn chế. Quy trình vận hành đơn giản giúp công nhân dễ dàng làm chủ thiết bị chỉ sau thời gian đào tạo ngắn. Không chỉ tối ưu hóa chi phí sản xuất, thiết bị còn giảm thiểu tối đa sự phơi nhiễm hóa chất cho người lao động. Thành công của đồ án khẳng định năng lực ứng dụng kiến thức cơ điện tử vào giải quyết bài toán tự động hóa công nghiệp thực tế.

4.1. Tối ưu năng suất và nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa

Thiết bị tự động hóa giúp rút ngắn chu kỳ gia công mỗi chi tiết khuôn mẫu xuống dưới 30 giây. Sai số vị trí nhỏ bảo đảm các đường keo mảnh nhất cũng được điền đầy chuẩn xác. Sản phẩm hoàn thiện có màu sắc tươi sáng, viền sắc nét và độ dày đồng nhất tuyệt đối giữa các lô hàng. Tỷ lệ lỗi hỏng giảm xuống dưới 2%, giúp tiết kiệm đáng kể nguồn keo nguyên liệu đắt đỏ. Khả năng hoạt động bền bỉ đáp ứng tốt các tiến độ giao hàng gấp của thị trường xuất khẩu.

4.2. Tiềm năng mở rộng và phát triển máy bơm keo tương lai

Nền tảng cơ điện tử của máy cho phép tiếp tục nâng cấp thêm nhiều tính năng thông minh mới. Nhóm nghiên cứu đề xuất tích hợp hệ thống camera thị giác máy tính để tự động nhận diện vị trí đặt khuôn lệch. Việc nâng cấp thêm cảm biến áp suất dòng keo kỹ thuật số sẽ hỗ trợ kiểm soát lưu lượng thích ứng theo thời gian thực. Mô hình có thể mở rộng số lượng đầu phun độc lập nhằm phục vụ các chi tiết phức tạp nhiều tông màu hơn nữa trong tương lai.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp phụ liệu may mặc và quảng cáo, các sản phẩm logo, huy hiệu và nhãn mác bằng nhựa dẻo Polyvinylclorua (PVC) được ứng dụng rộng rãi nhờ tính thẩm mỹ, độ bền và tính mềm dẻo. Quy trình sản xuất truyền thống yêu cầu pha trộn bột nhựa PVC với dầu hóa dẻo cùng màu công nghiệp, sau đó phân phối hợp chất keo lỏng này vào các rãnh biên dạng của khuôn kim loại đã gia công sẵn trước khi tiến hành gia nhiệt định hình.

Tuy nhiên, tại các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ ở Việt Nam, công đoạn bơm keo PVC vào lòng khuôn phần lớn vẫn được tiến hành bằng phương pháp thủ công dùng kim tiêm cầm tay. Phương pháp thủ công bộc lộ nhiều nhược điểm:

1. Phụ thuộc hoàn toàn vào tay nghề thợ, độ dày và lưu lượng keo không đồng đều giữa các sản phẩm.
2. Tỷ lệ sai hỏng cao do hiện tượng tràn keo ra ngoài mép khuôn, chất lượng thẩm mỹ thấp.
3. Năng suất lao động thấp, khó dự toán tiến độ hoàn thành các đơn hàng lớn.
4. Người lao động phải tiếp xúc trực tiếp, liên tục với mùi hóa chất nhựa PVC, tiềm ẩn nguy cơ đối với sức khỏe.

Các dòng máy bơm keo tự động công nghiệp hiện có trên thị trường chủ yếu là thiết bị nhập khẩu từ nước ngoài, kích thước cồng kềnh, công suất lớn và chi phí đầu tư cao, không tương thích với điều kiện tài chính của các xưởng gia công hộ gia đình. Trước thực trạng đó, đề tài "Thiết kế và gia công máy bơm keo PVC tự động" được thực hiện nhằm xây dựng một mô hình máy CNC 2 trục kết hợp cơ cấu bơm khí nén với công suất vừa và nhỏ, vận hành ổn định, đáp ứng yêu cầu tự động hóa khâu rót keo vào khuôn định hình.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

1. Nghiên cứu tổng quan về vật liệu PVC, các phương pháp gia công nhựa và các dạng điều khiển số CNC.
2. Tính toán, thiết kế động học và động lực học cho hệ thống cơ khí 2 trục tịnh tiến $X - Y$ và cơ cấu nâng hạ trục $Z$.
3. Thiết kế, lựa chọn linh kiện và lắp ráp hệ thống điều khiển điện tử, mạch động lực và mạch điều khiển khí nén.
4. Lập trình quỹ đạo điều khiển chuyển động theo mã G-code, đồng bộ hóa tín hiệu điều khiển van cấp keo thông qua vi điều khiển.
5. Gia công thực tế khung máy bằng phay CNC từ vật liệu nhôm 6061, tiến hành lắp ráp, căn chỉnh và chạy thực nghiệm kiểm chứng độ chính xác phân phối keo trên khuôn mẫu logo.

Phạm vi và giới hạn đề tài:

• Kết cấu máy: Bàn máy cố định; đầu bơm chuyển động tịnh tiến theo phương ngang ($X$) và phương dọc ($Y$) bằng cơ cấu vít me bi kết hợp động cơ bước; hành trình nâng hạ phương đứng ($Z$) sử dụng xy lanh khí nén.
• Kích thước phủ bì toàn bộ máy: $680 \times 480 \times 330\text{ mm}$ (Dài $\times$ Rộng $\times$ Cao).
• Kích thước gia công mẫu tối đa: $300 \times 150 \times 25\text{ mm}$.
• Thời gian và lộ trình thực hiện: Hoàn thành trong 5 tháng, chia làm 4 giai đoạn từ khảo sát thị trường, thiết kế mô phỏng 3D, gia công chế tạo chi tiết đến lắp ráp và kiểm nghiệm thực nghiệm.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án ứng dụng tổng hợp các kiến thức chuyên ngành Cơ điện tử, bao gồm cơ học máy, kỹ thuật truyền động điện, điều khiển số, công nghệ khí nén và công nghệ gia công cơ khí chính xác:

1. Cơ sở lý thuyết chuyên ngành

• Vật liệu nhựa PVC: Polyvinylclorua có cấu trúc vô định hình kèm khoảng 5% vùng kết tinh; tỷ trọng $1.45 - 1.50\text{ g/cm}^3$; nhiệt độ hóa mềm bắt đầu từ $80^\circ\text{C}$ và bắt đầu phân hủy nhiệt giải phóng khí $\text{HCl}$ từ $100 - 130^\circ\text{C}$; độ nhớt phụ thuộc vào tỷ lệ phối trộn giữa nhựa nền và chất hóa dẻo phthalate.
• Cơ cấu truyền động trục vít me - đai ốc bi: Sử dụng kết cấu vít me bi có đường hồi bi trong để chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, đạt hiệu suất truyền động $90 - 95%$, giảm thiểu ma sát trượt và triệt tiêu khe hở hướng trục.
• Động cơ bước (Stepper Motor): Phân tích 4 phương pháp kích từ (Wave Drive, Full Step, Half Step, Microstep). Lựa chọn chế độ điều khiển vi bước (Microstep Drive) nhằm tăng độ phân giải góc quay, giảm độ rung giật và tiếng ồn ở dải vận tốc thấp.
• Lý thuyết khí nén: Nguyên lý tạo áp suất đẩy chất lỏng có độ nhớt cao trong ống chứa kín; điều khiển hành trình xy lanh tác động đơn/kép và ngắt mở dòng chảy thông qua van điện từ khí nén 3/2.
• Công nghệ điều khiển số và ngôn ngữ G-code: Áp dụng phương thức điều khiển theo biên dạng (Contour) để nội suy quỹ đạo cong phức tạp của logo trên mặt phẳng 2D ($X-Y$).

2. Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

• Phương pháp khảo sát, kế thừa: Nghiên cứu cấu trúc và nguyên lý làm việc của các dòng máy hiện có trên thị trường như máy bơm keo tự động MGL01, MG102, máy dán keo theo biên dạng tròn và máy làm nhãn PVC Silicon Batch Label Making Machine.
• Phương pháp tính toán thiết kế cơ học: Tính toán sức bền vật liệu, mô-men quán tính, tải trọng tác dụng lên trục trơn dẫn hướng và trục vít me; xác định mô-men xoắn yêu cầu của động cơ bước theo đồ thị vận tốc hình thang.
• Phương pháp mô phỏng CAD/CAM: Thiết kế toàn bộ kết cấu cơ khí 3D trên phần mềm Autodesk Inventor; kiểm tra xung đột không gian chuyển động; mô phỏng và kiểm tra đường chạy dao G-code trên phần mềm Cimco trước khi nạp vào hệ thống điều khiển thực tế.
• Phương pháp thực nghiệm: Thực nghiệm đối chứng chuyển động và định lượng dòng chảy giữa môi trường chất lỏng chuẩn (nước) và môi trường keo PVC lỏng thực tế trên khuôn nhôm logo chữ "UTE".

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

1. Kiến trúc phần cứng cơ khí

Khung máy và các cụm chuyển động được chế tạo bằng công nghệ phay CNC từ vật liệu nhôm nguyên khối 6061 nhằm đảm bảo độ cứng vững, tránh hiện tượng biến dạng hoặc rung lắc trong quá trình vận hành tốc độ cao (khắc phục nhược điểm cong vênh của phương án in 3D thử nghiệm ban đầu).

Thành phần cơ khí	Thông số kỹ thuật / Quy cách	Vai trò chức năng
Cụm trục X	Trục vít me bi $\varnothing 12\text{ mm}$, bước $P = 4\text{ mm}$, dài $600\text{ mm}$; 2 ty trượt dẫn hướng	Tải cụm đầu bơm tịnh tiến ngang
Cụm trục Y	Trục vít me bi $\varnothing 12\text{ mm}$, bước $P = 4\text{ mm}$, dài $400\text{ mm}$; 2 ty trượt dẫn hướng	Dịch chuyển hệ trục theo chiều dọc bàn máy
Cụm đầu bơm keo	Ống chứa keo PVC, van SMT HF1002, xy lanh khí nén CJ(D)2B10-15SR	Nâng hạ đầu kim và định lượng ngắt/xả dòng keo
Vật liệu chế tạo	Nhôm tấm và nhôm khối 6061 gia công phay CNC	Đảm bảo độ đồng phẳng và độ cứng vững cho toàn máy

2. Hệ thống điều khiển điện và khí nén

Hệ thống điều khiển được thiết kế theo cấu trúc module phân tầng, kết hợp giữa bộ điều khiển số trung gian và vi điều khiển xử lý logic:

[Máy tính chạy Mach3] 
[Board CNC BOB Mach3 USB V2]

• Board giao tiếp CNC BOB Mach3 USB V2: Tiếp nhận tín hiệu G-code từ phần mềm Mach3 CNC Controller trên máy tính, xuất xung điều khiển vị trí và chiều quay cho các driver động cơ bước trục $X, Y$.
• Arduino Mega 2560 R3: Nhận tín hiệu logic từ các chân hướng chuyển động (DIR Z, DIR A, DIR B) từ board Mach3, xử lý thuật toán đồng bộ để điều khiển đóng/ngắt module Relay Opto cách ly.
• Hệ thống khí nén: Bao gồm bộ lọc và điều áp khí nén AFC2000 (ổn định áp suất nguồn cấp), van điện từ 3/2, van tác động cơ khí nút nhấn, đầu chia khí và hệ thống ống dẫn khí $\varnothing 6\text{ mm}$. Áp suất khí nén tác động đồng thời lên ống chứa keo (đẩy keo thoát ra đầu kim) và cấp nguồn cho xy lanh CJ(D)2B10-15SR thực hiện chu trình hạ kim tiêm sát lòng khuôn khi bơm và nhấc kim khi chuyển tọa độ.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của việc tự động hóa khâu sản xuất logo nhựa PVC dẻo trong ngành may mặc và quảng cáo. Tác giả trình bày kết quả khảo sát các dòng máy bơm keo tự động thương mại trong và ngoài nước (MGL01, MG102, máy dán keo biên dạng, máy rót keo silicon), phân tích ưu nhược điểm của từng loại. Từ đó, xác định giới hạn thiết kế của đề tài: phát triển máy bàn tĩnh, cơ cấu dịch chuyển 2 trục $X-Y$ dẫn động vít me bi, kích thước tổng thể $680 \times 480 \times 330\text{ mm}$, vùng gia công $300 \times 150 \times 25\text{ mm}$, chia tiến độ thực hiện thành 4 giai đoạn cụ thể trong 5 tháng.

Chương 2: Tổng quan

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện phục vụ quá trình thiết kế:

• Trình bày cấu tạo hóa học, cơ - lý tính của nhựa PVC (khối lượng riêng $1.45 - 1.50\text{ g/cm}^3$, giới hạn bền kéo đứt $500 - 700\text{ kg/cm}^2$, điện trở suất $10^{15},\Omega\cdot\text{cm}$) và các dạng tồn tại (PVC-P, PVC-U, PVC clo hóa).
• Tổng quan các phương pháp gia công nhựa công nghiệp: ép phun, ép đùn, ép thổi, ép định hình và quy trình bơm keo PVC thủ công nhiều lớp qua gia nhiệt.
• Phân loại các hệ thống điều khiển số (NC, CNC, DNC, điều khiển thích nghi AC, hệ thống FMS), các dạng nội suy (điều khiển điểm, điều khiển đoạn thẳng, điều khiển biên dạng) và cú pháp ngôn ngữ G-code.
• Cơ sở lý thuyết về truyền động vít me bi (đường hồi bi trong/ngoài, hiệu suất $90-95%$), động cơ bước và các chế độ điều khiển (Wave, Full, Half, Microstep), hệ thống truyền động khí nén và công nghệ phay CNC nhôm khối.

Chương 3: Thiết kế cơ khí

Tập trung vào tính toán động lực học và thiết kế chi tiết kết cấu phần cứng:

• Tính toán cụm trục X: Với tổng khối lượng bàn và tải trọng $m = 5\text{ kg}$, hệ số ma sát $\mu = 0.05$, hiệu suất truyền động $\eta = 0.9$, bước vít me $P = 4\text{ mm}$, thời gian gia tốc hình thang $t = 0.5\text{ s}$, hệ số an toàn $S_f = 2$. Kết quả tính toán kiểm nghiệm ứng suất uốn và xoắn xác nhận trục dẫn hướng và trục vít me đường kính $\varnothing 12\text{ mm}$ hoàn toàn thỏa mãn điều kiện bền.
• Tính toán cụm trục Y: Xác định tải trọng, mô-men quán tính và thông số làm việc của vít me bi $\varnothing 12\text{ mm}$, hành trình $400\text{ mm}$.
• Thiết kế cụm đầu bơm keo PVC: Trải qua 3 phiên bản cải tiến (từ phiên bản 1 dùng cơ cấu cơ khí đơn giản đến phiên bản 3 tích hợp xy lanh khí nén CJ(D)2B10-15SR và van chuyên dụng SMT HF1002 nhằm giải quyết triệt để hiện tượng nhỏ giọt keo).
• Lập bảng danh mục vật tư cơ khí và quy trình gia công, lắp ráp hoàn thiện kết cấu khung máy từ nhôm 6061.

Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển

Trình bày thiết kế phần cứng điện tử và thuật toán điều khiển:

• Xây dựng sơ đồ khối kết nối giữa máy tính điều khiển, board CNC BOB Mach3 USB V2, Driver Microstep 3.5A 40VDC, mạch Arduino Mega 2560 R3, module Relay Opto kích hoạt mức High/Low và nguồn tổ ong $12\text{V} - 10\text{A}$.
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch khí nén: cấu hình bộ điều áp AFC2000, van phân phối khí 3/2, van nút nhấn vận hành thủ công và các cổng phân nhánh cấp áp lực cho ống keo và xy lanh.
• Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển quy trình bơm keo cho sản phẩm mẫu logo chữ "UTE": lập trình xuất tín hiệu tọa độ $X-Y$ kết hợp đóng/mở van khí nén đồng bộ theo các câu lệnh G-code thông qua vi điều khiển Arduino.

Chương 5: Kết quả

Ghi nhận kết quả chế tạo thực tế và thử nghiệm vận hành:

• Trình bày hình ảnh mô hình phần cứng hoàn chỉnh, tủ điện điều khiển và cụm cấp khí nén.
• Đánh giá tính ổn định chuyển động của 2 trục $X-Y$ và các khớp gối đỡ trục vít me.
• Tiến hành thử nghiệm chạy mô phỏng quỹ đạo và phân phối dòng chảy trên 2 môi trường:
  1. Thử nghiệm với nước: kiểm tra độ kín của đường ống, độ nhạy đóng ngắt của van và sự ổn định của lưu lượng ở tốc độ cao.
  2. Thử nghiệm với keo PVC thực tế: căn chỉnh áp suất đẩy phù hợp với độ nhớt của keo, đánh giá độ sai lệch biên dạng bơm vào lòng khuôn logo nhôm "UTE".
• Đo đạc và đánh giá sai số vị trí chuyển động của các trục.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài

Tổng kết các mục tiêu đã đạt được: chế tạo thành công máy bơm keo PVC tự động 2 trục CNC vận hành ổn định, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật về độ chính xác và tính thẩm mỹ sản phẩm. Nêu các hạn chế tồn đọng và định hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

Đồ án đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình máy bơm keo PVC tự động kích thước nhỏ với các thông số thực tế:

Thông số / Hạng mục	Giá trị thiết kế / Thực nghiệm
Kích thước bao máy	$680\text{ mm} \times 480\text{ mm} \times 330\text{ mm}$
Phạm vi gia công tối đa	$300\text{ mm} \times 150\text{ mm} \times 25\text{ mm}$
Cơ cấu truyền động	Trục vít me bi $\varnothing 12\text{ mm}$, bước ren $4\text{ mm}$ (Trục X: dài $600\text{ mm}$; Trục Y: dài $400\text{ mm}$)
Động cơ chấp hành	Động cơ bước Nema 23 kết hợp Driver Microstep 3.5A 40VDC
Cơ cấu nâng hạ & cấp keo	Xy lanh khí nén CJ(D)2B10-15SR kết hợp van SMT HF1002 và van 3/2
Hệ thống điều khiển	Board CNC BOB Mach3 USB V2 + Arduino Mega 2560 R3
Vật liệu chế tạo khung	Nhôm 6061 phay CNC nguyên khối

Hệ thống đã thực hiện thành công việc bơm keo PVC lỏng vào khuôn nhôm định hình logo chữ "UTE" theo đúng biên dạng thiết kế, đường keo đồng đều, không bị tràn mép và đạt độ chính xác định vị cao.

2. Đóng góp của đề tài

• Về mặt kỹ thuật: Đề xuất và hiện thực hóa thành công giải pháp đồng bộ hóa tín hiệu điều khiển giữa board CNC Mach3 USB và vi điều khiển Arduino Mega 2560 (thông qua các chân tín hiệu hướng DIR), cho phép sử dụng mã G-code tiêu chuẩn để điều khiển đồng thời chuyển động cơ khí và đóng/ngắt hệ thống khí nén chuyên dụng.
• Về mặt thực tiễn: Cung cấp giải pháp máy tự động hóa nhỏ gọn, chi phí chế tạo thấp, thay thế hoàn toàn phương pháp bơm keo thủ công, giúp nâng cao năng suất, đảm bảo tính đồng nhất của sản phẩm và cải thiện điều kiện làm việc cho người lao động tại các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế

• Cụm đầu bơm hiện tại chỉ mới hỗ trợ bơm đơn màu (1 đầu bơm duy nhất), chưa có cơ cấu tự động chuyển đổi giữa nhiều màu keo khác nhau trên cùng một chu trình gia công sản phẩm phức tạp.
• Dung tích ống chứa keo còn nhỏ, việc nạp keo vào ống chứa vẫn phải thực hiện thủ công ngắt quãng sau một số chu kỳ làm việc.
• Hệ thống điều khiển dòng keo phụ thuộc vào việc điều chỉnh áp suất thủ công tại cụm van AFC2000, chưa tích hợp cảm biến đo độ nhớt và lưu lượng dòng chảy để tự động bù áp theo thời gian thực.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

• Nâng cấp và mở rộng số lượng đầu bơm (cụm bơm đa màu từ 4 đến 8 màu độc lập) để đáp ứng các mẫu logo có nhiều chi tiết màu sắc phức tạp.
• Thiết kế hệ thống cấp keo tự động liên tục từ bình tích áp trung tâm đến các đầu kim bơm mà không cần dừng máy nạp liệu.
• Nghiên cứu tích hợp hệ thống gia nhiệt trực tiếp tại bàn máy để đẩy nhanh tiến độ làm đông sản phẩm ngay sau khi rót keo, khép kín quy trình sản xuất.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Tự động hóa và Cơ khí chế tạo: Tham khảo phương pháp tính toán chọn động cơ bước, thiết kế truyền động vít me bi, kỹ thuật phay CNC nhôm 6061 và phương pháp ghép nối điều khiển giữa board CNC Mach3 với vi điều khiển Arduino.
• Các kỹ sư thiết kế máy chuyên dụng: Học hỏi cấu trúc điều khiển tích hợp giữa chuyển động tịnh tiến nội suy 2D và hệ thống phân phối chất lỏng độ nhớt cao bằng khí nén.
• Các cơ sở sản xuất nhãn mác, phụ liệu may mặc: Tham khảo mô hình công nghệ chi phí thấp để tự chế tạo hoặc cải tiến dây chuyền sản xuất thủ công hiện hữu sang bán tự động hoặc tự động hoàn toàn.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả chuyển đổi phương án chế tạo từ in 3D sang gia công phay CNC nhôm 6061?
Trong quá trình thử nghiệm giai đoạn đầu, các chi tiết gá và khung in 3D có độ chính xác không cao, dễ bị biến dạng, méo mó hoặc gãy nứt dưới tác động lực rung lắc và phản lực nâng hạ liên tục của xy lanh khí nén. Việc chuyển sang phay CNC từ nhôm 6061 đảm bảo độ cứng vững kết cấu, độ đồng phẳng hình học và độ bền lâu dài cho toàn bộ hệ thống.

2. Cơ chế đồng bộ giữa phần mềm Mach3 và cơ cấu bơm keo khí nén được thực hiện như thế nào?
Board BOB Mach3 USB V2 tiếp nhận lệnh G-code từ máy tính và xuất tín hiệu điều khiển logic qua các chân định hướng (DIR Z, DIR A, DIR B). Mạch Arduino Mega 2560 R3 đọc trạng thái logic này để xử lý thuật toán chuyển mạch, từ đó kích hoạt module Relay Opto 5V đóng/ngắt cuộn coil của van khí nén 3/2, điều khiển xy lanh nâng hạ kim bơm và xả áp lực đẩy keo đúng thời điểm.

3. Thông số tính toán tải trọng và động cơ cho cụm trục X là bao nhiêu?
Trục X được tính toán với tổng khối lượng dịch chuyển $m = 5\text{ kg}$, hệ số ma sát mặt trượt $\mu = 0.05$, hiệu suất vít me $\eta = 0.9$, đường kính vít me bi $D = 12\text{ mm}$, bước vít $P = 4\text{ mm}$, chiều dài vít $L = 600\text{ mm}$, thời gian gia tốc $t = 0.5\text{ s}$, hệ số an toàn $S_f = 2$. Động cơ bước Nema 23 được chọn kết hợp cùng Driver Microstep 3.5A 40VDC.

4. Vì sao nhóm chọn cơ cấu vít me đai ốc bi có đường hồi bi trong?
Vít me đai ốc bi mang lại hiệu suất truyền động cao ($90 - 95%$), giảm ma sát nghỉ giúp loại bỏ hiện tượng trượt dính, đảm bảo chuyển động êm ái và không có khe hở dọc trục. Kiểu đường hồi bi trong giúp cụm đai ốc có kết cấu gọn gàng, tránh va quẹt với các kết cấu xung quanh trong không gian làm việc hạn chế của máy.

5. Điểm khác biệt chính giữa quá trình thực nghiệm vận hành bằng nước và keo PVC là gì?
Nước có độ nhớt thấp, chảy tự do nhanh, dùng để kiểm tra độ kín của hệ thống đường ống và đáp ứng thời gian đóng ngắt của van điện từ. Keo PVC có độ nhớt cao, đòi hỏi phải căn chỉnh van điều áp khí nén AFC2000 ở mức áp suất cao hơn và ổn định để tạo dòng chảy liên tục, không bị đứt đoạn hay tạo bọt khí trong lòng khuôn mẫu logo.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và gia công máy bơm keo PVC tự động" đã giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa quy trình phân phối keo dẻo trên khuôn định hình quy mô vừa và nhỏ. Bằng việc kết hợp kết cấu cơ khí phay CNC nhôm 6061 vững chắc, cơ cấu truyền động vít me bi chính xác và hệ thống điều khiển đồng bộ giữa Mach3, Arduino cùng van khí nén chuyên dụng, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công mô hình máy vận hành ổn định. Kết quả thực nghiệm trên khuôn logo "UTE" chứng minh khả năng thay thế hiệu quả cho phương pháp bơm thủ công truyền thống, mở ra tiềm năng ứng dụng thực tiễn cao trong ngành phụ liệu may mặc và quảng cáo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu đề tài - Nói về lí do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu cũng như tính ứng dụng của máy. - Phương pháp nghiên cứu, các giai đoạn thực hiện để hoàn thiện máy. Chương 2: Tổng quan - Giới thiệu sơ bộ về đề tài, về nhựa PVC, các phương pháp bơm keo hiện nay đang được sử dụng. - Giới thiệu sơ bộ về các cơ sở lý thuyết áp dụng trong để tài.

Chương 3: Thiết kế cơ khí - Tính toán và thiết kế các cụm cơ khí, tính toán cơ cấu truyền động và chọn trục, động cơ bước. - Thiết kế các chi tiết cần gia công. - Tiến hành lắp ráp máy. Chương 4: Thiết kế điện và điều khiển - Yêu cầu điều khiển, sơ đồ khối, cách thức điều khiển của mạch điện và khí nén.

- Chọn các module điện tử và khí nén cần thiết cho hệ thống. Chương 5: Kết quả - Đánh giá kết quả chạy thực nghiệm của hệ thống dựa trên các tiêu chí đã đề ra. - Quay video thực nghiệm hoạt động của máy. Chương 6: Kết luật và hướng phát triển đề tài - Bài học rút ra được sau khi hoàn thành mô hình.

- Hướng phát triển đề tài trong tương lai. 6 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN Sản xuất logo nhựa dựa theo các phương pháp khác nhau từ thủ công đến tự động để tạo ra các sản phẩm phục vụ đời sống sinh hoạt, kinh doanh. Hiểu biết về các phương pháp chính được sử dụng trong sản xuất sản phẩm nhựa là căn cứ hữu ích trong việc lựa chọn phương pháp làm, dựa vào các phương pháp đó ta thấy được nhược điểm, ưu điểm từ đó cân nhắc phương pháp tối ưu nhất, khả thi nhất để áp dụng vào mô hình đồ án này. Tổng quan về PVC 2.

Khái niệm PVC Polyvinylclorua (PVC), viết tắt là vinyl, hoặc sử dụng tên IUPAC “Chloroethane” hoặc “poly (chloroethanediyl)”, với 57% khối lượng là clo, là vật liệu “nhựa nhiệt dẻo”. PVC là một trong những vật liệu nhựa quan trọng nhất được sử dụng trên toàn thế giới vì tính kinh tế của nó. PVC cũng là một loại nhựa được sử dụng nhiều trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. PVC với sản lượng hàng năm được dự đoán là khoảng 40 triệu tấn (Ebner, 2009) chỉ đứng sau polyethylene (PE), loại nhựa được sử dụng số một.

Thị trường toàn cầu cho PVC dự kiến sẽ tiếp tục tăng trưởng khoảng 3-5% mỗi năm, với nhu cầu mạnh nhất được dự đoán là ở châu Á, chẳng hạn như Trung Quốc và Ấn Độ, và EU. Đặc điểm cấu tạo PVC Polyvinylclorua (PVC) có cấu trúc mạch thẳng tương tự như polyetylen nhưng với nguyên tử clo thay thế nguyên tử hydro. Bản thân PVC cứng nên việc bổ sung các este phthalate làm chất hóa dẻo làm cho PVC mềm dẻo và lý tưởng cho việc sản xuất như găng tay, đĩa chụp ảnh và các loại ống nước. PVC thường trong suốt với màu hơi xanh mờ và bóng, bị tác động bởi nhiều dung môi hữu cơ nhưng lại có khả năng kháng hóa chất rất tốt.

Ở dạng cứng, PVC có sẵn ở dạng tấm có thể dễ dàng hàn để sản xuất bồn chứa, khay và máng. PVC không được khuyến khích sử dụng trên 70°C mặc dù nó có thể chịu được đến 80°C trong thời gian ngắn.1: Cấu trúc PVC 7 a. Tính chất của PVC Tính ổn định của PVC đối với ánh sáng và nhiệt kém. Điểm làm mềm là 80 ℃, và sự phân hủy bắt đầu ở 130℃.

Khi chất ổn định, không được làm nóng, sự phân hủy PVC bắt đầu ở 100℃, và sự phân hủy nhanh hơn ở 130℃. Khi đun nóng sẽ thoát ra khí hiđro clorua (khí hiđro clorua là khí độc) đổi màu, từ trắng sang vàng nhạt rồi đỏ sang nâu đen. Tia cực tím và oxy trong ánh sáng mặt trời sẽ gây ra quá trình quang oxy hóa và phân hủy PVC, do đó làm giảm độ mềm dẻo của PVC, và cuối cùng làm cho nó trở nên giòn. Không khó để hiểu tại sao một số loại nhựa PVC chuyển sang màu vàng và giòn sau một thời gian dài [10].

PVC có ưu điểm là chống cháy. Khi xảy ra hiện tượng cháy PVC sẽ tạo ra nhiều các liên kết đôi, qua thời gian các liên kết này phản ứng kết hợp lại các liên kết đôi này tạo ra polymer có khối lượng phân tử rất lớn, cứng và mất tính tan trong dung môi. Có tới 57% Clo có nguồn từ muối thông thường trong nhựa PVC, do đó khi bị đốt cháy chính hàm lượng Clo đó sẽ làm dập tắt ngọn lửa một cách nhanh chóng và nhiệt độ do PVC giải phóng cũng thấp hơn nhiều lần so với với các loại nhựa khác như PE và PP. Bên cạnh đó nhiệt độ cháy của PVC lên tới 455°C.

Chính vì những nguyên nhân trên mà đã giúp cho PVC ít có khả năng truyền lửa sang các vật liệu khác. PVC không hòa tan trong nước, cồn, xăng, ít rò rỉ khí và hơi nước và PVC có thể chịu được axit clohydric ở bất kỳ nồng độ nào, axit sunfuric dưới 90%, axit nitric 50-60% và dung dịch ăn da dưới 20% ở nhiệt độ bình thường, với khả năng chống ăn mòn hóa học nhất định, PVC khá bền đối với các muối, nhưng có thể hòa tan trong dung môi hữu cơ như ete, xeton, hydrocacbon béo clo hóa và hydrocacbon thơm và nhựa PVC chống lại hầu hết các hóa chất vô cơ [10]. Chính vì đặc tính nổi bật này PVC được sử dụng làm ống xả khí, các loại ống, ống dẫn, có thể ứng dụng được trong lĩnh vực y tế… Nhựa PVC công nghiệp chủ yếu là cấu trúc vô định hình, nhưng cũng chứa một số vùng kết tinh (khoảng 5%), do đó PVC không có điểm nóng chảy rõ ràng và nó bắt đầu mềm ở khoảng 80℃, với nhiệt độ biến dạng nóng 70 - 71℃ (1,82MPa dưới tải), dòng chảy bắt đầu ở 150℃ dưới áp suất, và hydro clorua bắt đầu giải phóng từ từ, dẫn đến sự đổi màu của PVC (từ vàng sang đỏ, nâu, thậm chí là đen) [10]. Trong quá trình gia công và quá trình sử dụng, lực cơ học được tác dụng vào sản phẩm sẽ sinh ra ứng suất ngoại có thể dẫn đến mạch polymer bị phá hủy, nhưng trên thực tế là làm đứt mạch polymer và sinh ra gốc tự do, là nguyên nhân cho các phản ứng hóa học xảy ra làm giảm khối lượng phân tử, kết quả là giảm tính chất cơ lý và sự phân hủy HCL tăng lên 1,5 -2 lần.1: Thông số cơ-lý tính của PVC Khối lượng riêng 1.45 − 150 g/cm Giới hạn bền kéo đứt 500 − 700 kg/cm Giới hạn bền uốn 800 − 1200 kg/cm Giới hạn bền nén 800 − 1600 kg/cm Môđun đàn hồi 4000 − 10.000 kg/cm Độ dãn dài khi đứt 10 − 25% Hệ số giãn nở dài 0.8 − 4 × 10 cal/cm × s × ℃ Độ bền nhiệt 65 − 70℃ Nhiệt độ giòn −10℃ Điện áp đánh thủng 15 − 35 kV/cm Hằng số điện môi (60Hz, 30°C) 3.54 Điện trở suất 1015Ω.

Độ bền Vật liệu PVC có tính chống mài mòn, ăn mòn và chống sốc và trên hết là khả năng chịu được điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Trên thực tế, chúng ta thường thấy vật liệu này được sử dụng rất nhiều để sản xuất vật dụng ngoài trời. Một nghiên cứu cho thấy hệ thống đường ống PVC đầu tiên đã được lắp đặt hơn 80 năm và hầu hết chúng vẫn đang được sử dụng. Tuổi thọ dự kiến của ống PVC là 100 năm trở lên đối với ống ngầm.

Qua toàn thời gian sử dụng, ống nhựa PVC có thể xem là ít tốn chi phí nhất so với các ống nhựa vật liệu khác. Tính cách điện Nhựa PVC không bị phá vỡ cấu trúc khi bị tác động bởi cường độ dòng điện lớn, cùng với khả năng chống cháy. Vì vậy được ứng dụng để sản xuất cáp điện, băng cách điện, hộp công tắc và nhiều thiết bị điện dân dụng khác. Các loại nhựa PVC trong thực tế PVC dẻo: Còn được gọi với tên khác là PVC-P.

Là một loại PVC hình thành nhờ quá trình bổ sung chất dẻo tương đương với PVC đã giảm độ kết tinh. PVC sẽ dẻo và trong hơn khi bổ sung thêm các chất hóa dẻo so với các loại còn lại. 9 PVC cứng: Còn được gọi với tên khác là UPVC, PVC-U: Loại PVC này có độ cứng cao. Bên cạnh đó có khả năng va đập và chống chịu tốt.

Trong một số trường hợp nhựa này còn có khả năng chống nước, chống ăn mòn hóa chất. Perchlorovinyl clo hóa: Loại PVC này được sản xuất và điều chế bằng cách clo hóa nhựa PVC. Cách này làm tăng hàm lượng clo trong PVC giúp cho PVC tăng độ bền, tăng khả năng chống cháy và tính chất hóa học của PVC cũng sẽ ổn định hơn. PVC dạng định hướng phân từ: Loại PVC được tạo ra bằng cách sắp xếp lại cấu trúc của PVC cứng (PVC-U) lúc này hình thành cấu trúc phân lớp.

PVC này có tính cứng khá cao, đồng thời khả năng chịu lực tốt. PVC dạng biến đổi: Quá trình biến đổi PVC giúp tăng độ cứng, bền cho sản phẩm được tạo ra. Cơ chế bổ sung các tác nhân biến đổi đã hình thành nên loại PVC này. Ứng dụng PVC qua các sản phẩm trong đời sống a.

Sản xuất đường ống Đây chính là lĩnh vực được ứng dụng nhiều và rộng rãi nhất. Chúng được sử dụng nhiều trong xây dựng như chung cư, nhà dân, trong các hệ thống nước thải và cấp nước do các đặc tính sau đây: Rẻ, chống cháy, cách điện, nhẹ và linh hoạt trong sử dụng. Ngoài ra còn có các loại van nhựa thì được sử dụng nhiều trong các hệ thống nước, đặc biệt là dùng với chức năng van hóa chất, bởi tính năng kháng hóa chất của nhựa.2: Ống nhựa Hình 2. Trong chế tạo dây điện, dây cáp Dây cáp, dây điện có phần lõi đơn hoặc được làm từ nhiều sợi cáp thép hoặc đồng, bên ngoài được bọc một lớp vỏ nhựa PVC có độ dày từ 1mm đến 3mm.

Nhờ vào tỷ lệ pha trộn các hóa chất phụ mà mỗi loại có thể chịu được các nhiệt độ khác nhau, còn có thể chống cháy ở một tỷ lệ nhất định. Đặc biệt là có thể dễ dàng uốn 10 nắn, tính mềm dẻo, chịu lực tốt, chống han gỉ, chống oxy hóa cao, thích hợp được dùng trong không gian, môi trường có độ ẩm cao.4: Dây cáp bọc nhựa PVC c. Đồ chơi, phụ kiện và ứng dụng trong y tế Trong lĩnh vực y tế, nhựa PVC được ứng dụng làm các dụng cụ như ống thông, ống hô hấp, túi đựng máu, thiết bị lọc máu… và được tạo ra bằng các phương pháp ép, đúc nhựa khác nhau. Ngoài ra còn được ứng dụng rộng rãi trong đồ chơi trẻ em.