Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy chế biến sinh tố tự động tại HCMUTE

Đồ án nghiên cứu hcmute nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy chế biến sinh tố tự động, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Nguyễn Công Danh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh
• 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: Nghiên Cứu, Thiết Kế Và Chế Tạo Máy Chế Biến Sinh Tố Tự Động
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Giới thiệu về sinh tố
• 1.2. Lý do chọn đề tài
• 1.3. Tổng quan về máy thực phẩm tự động trong nước và ngoài nước
• 1.4. Tình hình máy chế biến sinh tố tự động ở nước ngoài
• 1.5. Tình hình máy chế biến sinh tố tự động ở trong nước
• 1.6. Tổng quan về đề tài
• 1.7. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ THIẾT KẾ
• 2.1. Số liệu ban đầu
• 2.2. Công thức pha chế sinh tố
• 2.3. Loại trái cây và ly
• 2.4. Phương án thiết kế
• 2.5. Thiết kế và bố trí quy trình hoạt động của máy
• 2.6. Nguyên lí hoạt động của máy
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 3.1. Tính toán và thiết kế cơ khí
• 3.1.1. Cơ cấu cấp trái cây
• 3.1.2. Cơ cấu cấp đường, sữa
• 3.1.3. Cơ cấu cấp ly
• 3.1.4. Cơ cấu làm lạnh
• 3.1.5. Cơ cấu vệ sinh
• 3.1.6. Cơ cấu định vị ly
• 3.1.7. Cơ cấu đậy nắp cối xay
• 3.1.8. Mô hình thiết kế 3D của máy
• 3.2. Tính toán và thiết kế hệ thống điện
• 3.2.1. Yêu cầu điều khiển
• 3.2.2. Xây dựng ý tưởng điều khiển
• 3.2.3. Sơ đồ nguyên lý cách thức điều khiển
• 3.2.4. Sơ đồ khối hệ thống điện
• 3.2.5. Sơ đồ kết nối giữa các thiết bị
• 3.2.6. Thiết kế và lập trình hệ thống điều khiển
• 3.2.7. Giao diện người dùng
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
• 4.1. Hình ảnh thực tế
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về đề tài

Máy chế biến sinh tố tự động là một sản phẩm công nghệ hiện đại, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng về thực phẩm an toàn và tiện lợi. Việc nghiên cứu và thiết kế máy chế biến sinh tố tự động tại HCMUTE không chỉ mang lại lợi ích cho người tiêu dùng mà còn góp phần vào sự phát triển của ngành công nghiệp thực phẩm tại Việt Nam. Máy xay sinh tố tự động giúp tiết kiệm thời gian và công sức cho người sử dụng, đồng thời đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm. Theo nghiên cứu, sinh tố là thức uống bổ dưỡng, cung cấp nhiều vitamin và khoáng chất cần thiết cho cơ thể. Do đó, việc chế biến sinh tố một cách tự động sẽ giúp người tiêu dùng dễ dàng tiếp cận với sản phẩm dinh dưỡng này.

1.1. Giới thiệu về sinh tố

Sinh tố là thức uống được chế biến từ các loại trái cây tươi, kết hợp với sữa, đường và đá. Các loại trái cây thường được sử dụng bao gồm dâu, bơ, chuối, và nhiều loại khác. Việc tiêu thụ sinh tố không chỉ mang lại hương vị thơm ngon mà còn cung cấp nhiều dưỡng chất cho cơ thể. Theo các nghiên cứu, sinh tố có thể giúp tăng cường hệ miễn dịch, hỗ trợ tiêu hóa và cung cấp năng lượng cho cơ thể. Do đó, việc phát triển máy xay sinh tố tự động là cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng về sức khỏe và dinh dưỡng.

1.2. Tình hình máy chế biến sinh tố tự động ở nước ngoài

Trên thế giới, nhiều loại máy chế biến sinh tố tự động đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi. Các sản phẩm này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn đảm bảo chất lượng và vệ sinh an toàn thực phẩm. Ví dụ, máy xay sinh tố Replenish có khả năng tự làm sạch và hoạt động hoàn toàn tự động. Điều này cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế biến thực phẩm tự động. Tuy nhiên, giá thành của các sản phẩm này thường cao, không phù hợp với nhu cầu và khả năng chi trả của người tiêu dùng Việt Nam.

II. Thiết kế và phát triển máy chế biến sinh tố tự động

Quá trình thiết kế và phát triển máy xay sinh tố tự động tại HCMUTE bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã khảo sát và phân tích các loại máy chế biến thực phẩm hiện có trên thị trường. Từ đó, đưa ra các yêu cầu thiết kế cụ thể nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng của người tiêu dùng. Các yếu tố như công suất, dung tích, và tính năng tự động hóa được xem xét kỹ lưỡng. Kỹ thuật cơ khí và kỹ thuật điện tử được áp dụng để đảm bảo máy hoạt động ổn định và hiệu quả. Việc thiết kế giao diện người dùng thân thiện cũng là một yếu tố quan trọng, giúp người sử dụng dễ dàng thao tác và điều khiển máy.

2.1. Các cơ cấu và hệ thống của máy

Máy chế biến sinh tố tự động được thiết kế với nhiều cơ cấu khác nhau, bao gồm cơ cấu cấp nguyên liệu, cơ cấu xay, và cơ cấu rót. Mỗi cơ cấu đều được tính toán và thiết kế để đảm bảo hiệu suất tối ưu. Cơ cấu cấp nguyên liệu có khả năng tự động cấp trái cây và các thành phần khác vào máy, trong khi cơ cấu xay sử dụng lưỡi dao sắc bén để xay nhuyễn nguyên liệu. Hệ thống điều khiển điện tử được lập trình để tự động hóa toàn bộ quy trình, từ việc cấp nguyên liệu đến việc rót sản phẩm ra ly. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm.

2.2. Kiểm tra và đánh giá hiệu quả

Sau khi hoàn thành thiết kế, máy chế biến sinh tố tự động được đưa vào thử nghiệm để kiểm tra hiệu quả hoạt động. Các thử nghiệm được thực hiện với nhiều loại trái cây khác nhau để đánh giá khả năng xay nhuyễn và chất lượng sản phẩm đầu ra. Kết quả cho thấy máy hoạt động ổn định, cho ra sản phẩm sinh tố có chất lượng cao, đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm. Nhóm nghiên cứu cũng thu thập ý kiến phản hồi từ người dùng để cải tiến và hoàn thiện sản phẩm. Việc này không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn tạo ra một sản phẩm thân thiện với người sử dụng.

III. Ứng dụng và triển vọng

Máy chế biến sinh tố tự động không chỉ có ứng dụng trong gia đình mà còn có thể được sử dụng trong các quán sinh tố, nhà hàng và các cơ sở chế biến thực phẩm. Sản phẩm này giúp tiết kiệm thời gian chế biến, nâng cao hiệu quả kinh doanh và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Hơn nữa, với xu hướng tiêu dùng hiện đại, ngày càng nhiều người tiêu dùng quan tâm đến sức khỏe và dinh dưỡng, máy chế biến sinh tố tự động sẽ trở thành một sản phẩm thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày. Việc phát triển và hoàn thiện sản phẩm này sẽ góp phần thúc đẩy ngành công nghiệp thực phẩm tại Việt Nam.

3.1. Tính khả thi và thị trường

Với nhu cầu ngày càng cao về thực phẩm an toàn và tiện lợi, máy chế biến sinh tố tự động có tiềm năng lớn trên thị trường. Các quán sinh tố và nhà hàng có thể sử dụng sản phẩm này để nâng cao chất lượng dịch vụ và đáp ứng nhu cầu của khách hàng. Hơn nữa, việc quảng bá sản phẩm qua các kênh truyền thông sẽ giúp tăng cường nhận thức của người tiêu dùng về lợi ích của việc sử dụng máy chế biến sinh tố tự động. Điều này không chỉ giúp tăng doanh thu cho các cơ sở kinh doanh mà còn góp phần nâng cao sức khỏe cộng đồng.

3.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ tiếp tục cải tiến và phát triển máy chế biến sinh tố tự động với nhiều tính năng mới. Việc tích hợp công nghệ IoT vào máy sẽ giúp người dùng có thể điều khiển và theo dõi quá trình chế biến từ xa. Ngoài ra, việc nghiên cứu và phát triển các loại máy chế biến thực phẩm tự động khác cũng sẽ được xem xét để đáp ứng nhu cầu đa dạng của người tiêu dùng. Sự phát triển này không chỉ mang lại lợi ích cho người tiêu dùng mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp thực phẩm tại Việt Nam.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế hiện đại hóa đời sống và công nghiệp hóa thực phẩm, nhu cầu sử dụng các loại thức uống dinh dưỡng tươi sạch như sinh tố ngày càng gia tăng. Sinh tố là nguồn cung cấp vitamin, khoáng chất và chất xơ thiết yếu, hỗ trợ tiêu hóa, tăng cường hệ miễn dịch và duy trì thể trạng. Tuy nhiên, quy trình chế biến thủ công một ly sinh tố tại gia đình hoặc văn phòng thường tiêu tốn khoảng 20 phút (từ khâu sơ chế, cắt gọt hoa quả đến xay nhuyễn và vệ sinh dụng cụ). Tại các điểm kinh doanh vỉa hè hoặc cửa hàng truyền thống, việc pha chế thủ công trong khung giờ cao điểm thường gây ùn tắc, đồng thời tiềm ẩn rủi ro về điều kiện bảo quản và an toàn vệ sinh thực phẩm.

Trên thế giới, các dòng máy pha chế và bán sinh tố tự động như Replenish hay Fitgo Smoothie vending machine đã được thương mại hóa với tính năng tự làm sạch (self-cleaning). Dù vậy, các thiết bị ngoại nhập đòi hỏi người dùng phải tự nạp khay nguyên liệu sơ chế sẵn, chi phí đầu tư cao và chịu thuế nhập khẩu lớn, chưa thực sự phù hợp với điều kiện ứng dụng thực tế tại Việt Nam. Xuất phát từ bối cảnh đó, đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy chế biến sinh tố tự động" được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh nhằm giải quyết bài toán tự động hóa hoàn toàn chu trình pha chế sinh tố khép kín với chi phí hợp lý.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể:

1. Làm chủ thiết kế và quy trình công nghệ chế tạo máy chế biến sinh tố tự động có kết cấu nhỏ gọn, dễ thao tác, hướng đến phục vụ tại văn phòng, phòng tập thể thao, bệnh viện, trường học và nhà ga.
2. Thiết kế và tích hợp đồng bộ các cụm cơ cấu chức năng: cấp phôi trái cây, cấp đá bi, định lượng đường và sữa, cấp ly tự động, định vị - đóng nắp cối xay, rót sản phẩm, vệ sinh tự động và bảo quản lạnh nguyên liệu.
3. Xây dựng hệ thống điều khiển tự động hóa sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC kết hợp màn hình giao diện người - máy HMI, tối ưu hóa thuật toán chu trình và kiểm soát an toàn điện, khí nén.
4. Gia công, chế tạo mô hình thực tế, vận hành thử nghiệm kiểm chứng độ ổn định, đo đạc sai số định lượng và khảo sát đánh giá cảm quan chất lượng thành phẩm từ người dùng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Nguyên lý hoạt động và kết cấu cơ điện tử của hệ thống chế biến sinh tố tự động, bao gồm các cụm cơ cấu định lượng thể tích nguyên liệu, cụm xay - rót, cụm phân phối ly và mạch điều khiển PLC - HMI.
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Hệ thống xử lý các loại trái cây mềm đã được sơ chế thái hạt lựu kích thước chuẩn 15x15x15 mm (xoài, dâu, bơ, chuối, thanh long, đu đủ, cà rốt, sa pô chê).
  • Định mức dung tích sản phẩm đầu ra đạt khoảng 400 ml/ly (sử dụng ly nhựa dung tích 500 ml).
  • Năng suất thiết kế: 90 giây/ly, công suất phục vụ 20 ly/ngày.
  • Phạm vi bảo quản: Khay chứa nguyên liệu và ngăn đá duy trì nhiệt độ lạnh liên tục trong thời gian làm việc tiêu chuẩn 6 giờ/ngày.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Về cơ sở lý thuyết, nghiên cứu vận dụng các nguyên lý cơ học máy, truyền động khí nén, thủy lực chất lỏng, nhiệt lạnh và điều khiển tự động. Về công thức định lượng thành phần, tác giả căn cứ theo tài liệu "Bí Quyết Pha Chế Sinh Tố & Nước Ép Trái Cây" (NXB Văn Hóa Thông Tin TP.HCM) để xác lập tỷ lệ chuẩn cho một ly sinh tố 400 ml gồm: 194 ml trái cây (tương đương 200 g), 156 ml đá bi và 50 ml hỗn hợp chất lỏng (sữa, đường). Việc tính toán lưu lượng chất lỏng chảy qua đường ống được xây dựng trên phương trình dòng chảy trọng lực thủy tĩnh học:

$$F = \pi R^2 \sqrt{2gh}$$

Trong đó $R$ là bán kính trong của ống dẫn ($4\text{ mm}$), $h$ là độ cao cột áp tĩnh ($1{,}65\text{ m}$), $g$ là gia tốc trọng trường ($9{,}81\text{ m/s}^2$), cho ra lưu lượng tính toán lý thuyết xấp xỉ $12{,}3\text{ ml/s}$. Việc tính toán lựa chọn xi lanh khí nén căn cứ trên diện tích piston, hành trình và áp suất nguồn khí $P = 6\text{ bar}$ ($6{,}12\text{ kgf/cm}^2$).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp và so sánh phương án: Khảo sát các dòng máy thực phẩm tự động hiện hành (máy bán phở tự động SPKT, máy pha cà phê Gaggia Classic, máy làm kem tươi Elip, máy sinh tố Replenish, Fitgo) để tổng hợp ưu - nhược điểm. So sánh đa tiêu chí giữa 3 cơ cấu định lượng trái cây và 2 phương án bố trí không gian (mặt phẳng ngang 2D vs. trục đứng phân tầng) nhằm lựa chọn giải pháp tối ưu.
• Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán động học, lực chấp hành khí nén, lưu lượng chất lỏng; mô hình hóa 3D toàn bộ kết cấu máy và các cụm module trên phần mềm kỹ thuật; xây dựng sơ đồ đấu nối điện, sơ đồ bước khí nén và lưu đồ giải thuật điều khiển.
• Phương pháp thực nghiệm chế tạo và kiểm chứng: Gia công cơ khí chính xác bằng vật liệu inox 304, lắp ráp hoàn thiện máy thực tế, lập trình điều khiển trên PLC và HMI, vận hành thử nghiệm lặp lại nhiều lần để đo đạc chiều cao mực sinh tố, đánh giá sai số thể tích và ghi nhận phản hồi cảm quan của người dùng.

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm các tài liệu chuyên ngành về kỹ thuật pha chế, thông số kỹ thuật thương mại của vật tư cơ khí - khí nén (xi lanh, van solenoid, máy nén khí) và thiết bị tự động hóa công nghiệp (Mitsubishi Electric, Weinview).

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống máy chế biến sinh tố tự động được thiết kế dưới dạng module hóa phân tầng theo phương đứng với kích thước tổng thể $765 \times 710 \times 1700\text{ mm}$. Toàn bộ các bộ phận tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm được chế tạo từ thép không gỉ Inox 304 nhằm đáp ứng tiêu chuẩn an toàn vệ sinh thực phẩm.

Cụm cơ cấu chức năng	Nguyên lý hoạt động và thông số kỹ thuật	Thiết bị / Thông số chính
Định lượng trái cây	Cơ cấu 2 xi lanh khí nén đóng mở so le. Thể tích khoang định lượng giữa 2 cữ chặn là $97{,}56\text{ ml}$ ($\approx 100\text{ g}$). Cấp 2 lần cho 1 vị hoặc 1 lần/khay khi trộn 2 loại quả.	4 khay chứa (tổng thể tích $4268\text{ ml}$); Xi lanh $D = 20\text{ mm}$, $L = 100\text{ mm}$, $P = 6\text{ bar}$, $F = 18\text{ kg/cm}^2$.
Định lượng đá bi	Khuôn trượt hình chữ nhật khoét lỗ định lượng $156\text{ ml}$ kết hợp lưỡi cắt chuyển động tịnh tiến nhờ xi lanh khí nén.	1 khay chứa dạng trụ ($3153\text{ ml}$); Xi lanh $D = 32\text{ mm}$, $L = 280\text{ mm}$, $P = 6\text{ bar}$, $F = 48\text{ kg/cm}^2$.
Định lượng đường & sữa	Rót chất lỏng tự do qua van điện từ dựa trên thời gian mở van. Hỗ trợ 3 mức chọn: High ($25\text{ ml}$), Medium ($18\text{ ml}$), Low ($12\text{ ml}$).	2 khay chứa trụ ($1016\text{ ml}$); Van solenoid $12\text{V/24V}$, ống dẫn $R = 4\text{ mm}$, lưu lượng $\approx 12{,}3\text{ ml/s}$.
Cấp và tách ly tự động	Thanh chèn khí nén tách gờ vành miệng ly từ chồng chứa $>30$ ly nhựa, thả ly rơi vào ngàm kẹp cơ cấu định vị.	Ly nhựa Plastic Hữu Phong $500\text{ ml}$, hệ thống ngàm kẹp và xi lanh hành trình.
Xay, rót và định vị	Cối xay chuyên dụng gắn trên cơ cấu định vị lật góc. Sau khi xay xong, cơ cấu nghiêng rót thành phẩm vào ly đặt bên dưới.	Động cơ xay công suất cao, cơ cấu truyền động xoay lật góc cối.
Vệ sinh tự động	Bơm áp lực kích hoạt phun nước rửa sạch phễu thu trung gian và bên trong cối xay; cối lật đổ nước thải vào máng thoát riêng.	Bơm nước áp lực cao, hệ thống béc phun định hướng, phễu gom xả thải.
Bảo quản lạnh	Cụm máy nén và dàn lạnh tuần hoàn theo nguyên lý làm mát tủ lạnh, duy trì nhiệt độ bảo quản ngăn nguyên liệu suốt 6 giờ.	Block làm lạnh lốc nén, dàn bay hơi và cảm biến nhiệt độ.

Hệ thống điều khiển trung tâm sử dụng bo mạch PLC Mitsubishi FX3U-48MR kết hợp cùng màn hình cảm ứng HMI WEINVIEW TK6071IP. PLC tiếp nhận toàn bộ tín hiệu đầu vào từ hệ thống cảm biến quang, cảm biến hành trình (switch limit), nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop) và các thông số cài đặt từ màn hình HMI; sau đó xử lý logic tuần tự và xuất tín hiệu điều khiển relay kích hoạt các van điện từ khí nén, van đóng mở chất lỏng, động cơ bơm và động cơ cối xay.

Giao diện HMI được thiết kế gồm hai phân hệ:

• Giao diện người dùng: Lựa chọn loại trái cây (chọn đơn hoặc phối trộn 2 loại), tùy chỉnh 3 mức định lượng đường/sữa (High - Medium - Low), chọn nguồn cấp ly (lấy ly tự động từ máy hoặc tự đưa ly ngoài vào) và theo dõi trạng thái chu trình pha chế.
• Giao diện quản trị (phân quyền 2 tầng): Giám sát trạng thái từng cảm biến, điều khiển kích hoạt thủ công (Manual) độc lập từng cơ cấu chấp hành để phục vụ kiểm tra, căn chỉnh cơ khí, kiểm tra chu trình vệ sinh và cảnh báo mức nguyên liệu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương này giới thiệu tổng quan về giá trị dinh dưỡng của sinh tố hoa quả đối với sức khỏe con người, đồng thời phân tích thực trạng các thiết bị chế biến thực phẩm tự động trong và ngoài nước. Tác giả chỉ ra sự thiếu hụt của các dòng máy pha chế sinh tố tự động nội địa và những hạn chế về chi phí, khả năng tương thích của các dòng máy nhập khẩu. Từ đó, chương xác lập tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học - thực tiễn, mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài.

Chương 2: Cơ sở thiết kế

Chương 2 thiết lập các thông số đầu vào định lượng dựa trên công thức pha chế chuẩn cho ly $400\text{ ml}$. Tác giả so sánh chi tiết 3 phương án cơ cấu cấp - định lượng trái cây thái hạt lựu (khuôn cố định, trục vít và cơ cấu 2 xi lanh) và quyết định lựa chọn cơ cấu 2 xi lanh nhờ ưu điểm không làm dập nát thịt quả, kết cấu đơn giản, dễ gia công, dễ tháo lắp vệ sinh và cho phép linh hoạt thay đổi định lượng thông qua số lần dập chu kỳ. Đồng thời, tác giả so sánh 2 phương án bố trí không gian hoạt động (chuyển động mặt phẳng 2D $x\text{-}y$ vs. cố định quy trình theo phương đứng) và chọn phương án bố trí theo phương đứng nhằm thu nhỏ kích thước phủ bì, tận dụng trọng lực cấp liệu tự do và triệt tiêu các thời gian trễ không cần thiết.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày toàn bộ các phép tính cơ học, khí nén, thủy lực và thiết kế chi tiết từng cụm cơ cấu cơ khí (cấp trái cây, cấp đá bi, cấp đường/sữa, cấp ly, làm lạnh, vệ sinh, định vị cối xay và đậy nắp). Phần thiết kế điện và điều khiển xây dựng sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ cấp nguồn, sơ đồ kết nối I/O của PLC FX3U-48MR, sơ đồ bước khí nén cho 2 chu trình lấy ly (tự động và thủ công từ ngoài), lưu đồ thuật toán điều khiển tổng thể, các lưu đồ nhánh (vệ sinh, mở cửa nhận ly, xay - rót, trả sản phẩm) và thiết kế giao diện vận hành trên HMI TK6071IP.

Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá

Chương 4 giới thiệu hình ảnh mô hình thực tế đã được gia công hoàn thiện, quá trình sơ chế trái cây hạt lựu $15\text{ mm}$ và kết quả pha chế thành phẩm. Tác giả tiến hành các bài đo thực nghiệm về chiều cao mực sinh tố trên cùng một loại ly mẫu, lập bảng thống kê sai số tuyệt đối qua các lần đo lặp lại, và khảo sát mức độ hài lòng của người dùng đối với độ mịn, hương vị sinh tố dựa trên các tổ hợp tùy chọn sữa - đường khác nhau.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tổng kết các kết quả đạt được đối chiếu với mục tiêu ban đầu về độ ổn định cơ khí, khả năng tự động hóa chu trình, năng suất đáp ứng và an toàn vệ sinh. Đồng thời, tác giả chỉ ra các điểm còn tồn tại của hệ thống và đề xuất các giải pháp cải tiến công nghệ cho các phiên bản phát triển tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả kỹ thuật, đề tài đã nghiên cứu, thiết kế, gia công và chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy chế biến sinh tố tự động với các chỉ số kỹ thuật thực tế:

• Kích thước phủ bì đạt $765 \times 710 \times 1700\text{ mm}$, bố trí phân tầng nhỏ gọn theo phương đứng, toàn bộ khung vỏ và khay tiếp xúc thực phẩm sử dụng Inox 304.
• Năng suất pha chế thực tế đạt $90\text{ giây/ly}$, thể tích thành phẩm trung bình xấp xỉ $400\text{ ml/ly}$, đáp ứng công suất thiết kế 20 ly/ngày.
• Định lượng chính xác nguyên liệu đầu vào: 4 khay trái cây tổng dung tích $4268\text{ ml}$ (chu kỳ 2 xi lanh cấp $97{,}56\text{ ml/lần}$), khay đá bi $3153\text{ ml}$ (cấp $156\text{ ml/lần}$), 2 khay đường/sữa $1016\text{ ml}$ (van điện từ kiểm soát 3 mức: $12\text{ ml}$, $18\text{ ml}$, $25\text{ ml}$).
• Tích hợp hoàn chỉnh chu trình vệ sinh tự động bằng vòi phun áp lực và hệ thống làm mát bảo quản nguyên liệu liên tục trong 6 giờ.

Về mặt giải pháp, tác giả đã đề xuất cơ cấu định lượng trái cây mềm 2 xi lanh hoạt động theo nguyên lý cữ chặn so le, giải quyết triệt để hiện tượng kẹt dính hoặc nát thịt quả vốn xuất hiện ở cơ cấu trục vít hoặc khuôn quay có lưỡi cắt. Việc ứng dụng cấu trúc điều khiển PLC kết hợp HMI giúp module hóa toàn bộ quá trình vận hành, cho phép người dùng tùy biến linh hoạt khẩu vị cũng như hỗ trợ kỹ thuật viên quản trị, bảo trì độc lập từng cơ cấu chấp hành.

Đóng góp của đồ án là việc hoàn thiện một mô hình máy chế biến thực phẩm tự động khép kín "Made in Vietnam" từ khâu cấp liệu, xay nhuyễn, rót thành phẩm đến tự động làm sạch cối và giữ lạnh nguyên liệu, chứng minh tính khả thi trong việc làm chủ công nghệ cơ điện tử ứng dụng vào lĩnh vực ẩm thực tự động hóa với chi phí thấp hơn nhiều so với thiết bị ngoại nhập.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của hệ thống được ghi nhận trong văn bản gồm:

• Hệ thống sử dụng truyền động khí nén nên bắt buộc phải bố trí máy nén khí đi kèm, gây tốn thêm không gian lắp đặt và phát sinh tiếng ồn trong quá trình vận hành.
• Máy chưa tích hợp khâu sơ chế tự động; nguyên liệu trái cây vẫn đòi hỏi con người phải làm sạch, bóc vỏ và thái hạt lựu thủ công với kích thước $15 \times 15 \times 15\text{ mm}$ trước khi nạp vào khay chứa.
• Dung tích khay chứa và năng suất hiện tại mới dừng ở mức quy mô thử nghiệm phòng lab ($20\text{ ly/ngày}$, 4 khay trái cây), chưa đáp ứng được quy mô thương mại liên tục tại các địa điểm công cộng có mật độ phục vụ cao.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

• Nghiên cứu cơ cấu giảm chấn, cách âm hoặc tối ưu hóa cụm khí nén để triệt tiêu tiếng ồn của máy nén khí.
• Nghiên cứu tích hợp module gọt vỏ và cắt hạt lựu trái cây tự động ngay trong thân máy.
• Mở rộng số lượng khay chứa và thể tích khoang nguyên liệu để nâng cao công suất phục vụ hàng ngày.
• Tích hợp thêm module thanh toán tự động (nhận tiền mặt, thẻ ngân hàng hoặc quét mã QR) để hoàn thiện mô hình máy bán hàng tự động (vending machine) thương mại độc lập.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho sinh viên, học viên và giảng viên thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Tự động hóa, Cơ khí chế tạo máy và Kỹ thuật thực phẩm. Nội dung công trình mang lại giá trị thực tiễn cao cho những người nghiên cứu phát triển các dòng máy bán hàng tự động (vending machine) hoặc hệ thống chế biến thực phẩm định lượng.

Các phần đáng tham khảo sâu bao gồm:

• Phương pháp tính toán và thiết kế cơ cấu định lượng vật liệu mềm, ẩm (trái cây hạt lựu) bằng cụm xi lanh so le (Chương 2 và Chương 3).
• Toàn bộ sơ đồ nguyên lý đấu nối phần cứng PLC FX3U-48MR, mạch van khí nén, cảm biến và các lưu đồ giải thuật điều khiển chu trình phân tầng (Chương 3).
• Giải pháp bố trí không gian module phân tầng theo phương đứng kết hợp hệ thống rửa cối và bảo quản lạnh khép kín (Chương 2 và Chương 3).

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài lựa chọn cơ cấu định lượng trái cây nào và vì sao loại bỏ các phương án khác?
Tác giả lựa chọn cơ cấu định lượng 2 xi lanh đóng mở so le (Phương án 3). Phương án khuôn quay cố định (Phương án 1) bị loại bỏ do kết cấu phức tạp, khó tháo lắp, lưỡi cắt nhanh mòn cần bảo dưỡng định kỳ và không linh hoạt thay đổi thể tích. Phương án trục vít (Phương án 2) bị loại bỏ vì lực ép trục vít dễ làm dập nát, nghiền nhuyễn miếng trái cây mềm và gây hiện tượng bám dính, nghẽn liệu trong ống dẫn.

2. Công thức thành phần định lượng chuẩn cho một ly sinh tố 400 ml được thiết kế như thế nào?
Dựa trên tài liệu tham khảo từ NXB Văn Hóa Thông Tin, một ly sinh tố $400\text{ ml}$ chuẩn được định mức gồm: $194\text{ ml}$ trái cây hạt lựu (tương đương $200\text{ g}$), $156\text{ ml}$ đá bi và $50\text{ ml}$ chất lỏng (sữa, đường). Khoang định lượng trái cây có thể tích $97{,}56\text{ ml}$ ($\approx 100\text{ g}$), máy sẽ kích hoạt chu kỳ xả 2 lần đối với 1 loại trái cây hoặc 1 lần cho mỗi loại khi người dùng chọn chế độ trộn 2 loại quả.

3. Hệ thống điều khiển và giám sát của máy sử dụng những thiết bị phần cứng cụ thể nào?
Bộ điều khiển trung tâm là PLC Mitsubishi FX3U-48MR (ngõ ra relay), kết hợp màn hình cảm ứng HMI WEINVIEW TK6071IP để giao tiếp người - máy. Hệ thống sử dụng nguồn cấp $24\text{VDC}$ và $220\text{VAC}$, mạng lưới cảm biến hành trình (switch limit), cảm biến quang phát hiện ly/nguyên liệu, nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop) và hệ thống van điện từ khí nén/chất lỏng.

4. Cơ chế tự động vệ sinh cối xay và phễu trung gian hoạt động theo nguyên lý nào?
Sau khi hoàn tất chu trình rót sinh tố vào ly và chuyển ly ra cửa, cối xay quay trở lại vị trí thẳng đứng. Bơm áp lực cao kích hoạt phun nước rửa sạch phễu thu trung gian, nước chảy tràn xuống cối để rửa sạch khoang dao xay. Sau đó, phễu dẫn nước thải di chuyển vào vị trí hứng, cối xay nghiêng góc đổ toàn bộ nước thải vào phễu xả rồi quay về vị trí ban đầu để kết thúc chu trình.

5. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn bố trí máy theo phương đứng thay vì phương ngang?
Bố trí theo phương ngang (dạng mâm xoay) làm tăng diện tích chiếm dụng mặt sàn, khó vận chuyển, bố trí phức tạp và sinh ra nhiều thời gian trễ khi di chuyển ly qua từng trạm. Bố trí theo phương đứng ($765 \times 710 \times 1700\text{ mm}$) giúp tối ưu hóa không gian, tận dụng trọng lực giúp nguyên liệu rơi tự do đồng loạt vào phễu trung gian, rút ngắn thời gian pha chế và tạo tư thế tương tác công thái học thuận tiện cho người sử dụng.

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thực nghiệm máy chế biến sinh tố tự động điều khiển bằng PLC FX3U-48MR và HMI TK6071IP với thời gian pha chế đạt 90 giây/ly. Hệ thống giải quyết hiệu quả bài toán định lượng trái cây mềm, tích hợp đồng bộ cụm cấp đá bi, rót đường/sữa 3 mức, cấp ly tự động, cơ chế tự làm sạch và bảo quản lạnh nguyên liệu trong thân máy Inox 304 nhỏ gọn. Công trình khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng kỹ thuật cơ điện tử vào chế biến thực phẩm tự động tại Việt Nam, đồng thời đặt nền tảng kỹ thuật vững chắc cho việc phát triển các dòng máy bán hàng tự động thương mại trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Giới thiệu về sinh tố 1. Sinh tố Sinh tố là thức uống được chế biến từ các loại rau xanh, hoa quả tươi bằng cách xay nhuyễn với sữa, đường và đá. Tùy vào khẩu vị mà người dùng có thể cho thêm đường, ca cao, các loại hạt (topping) hay nước ép vào thêm.1: Sinh tố Sinh tố là một loại nước uống bổ dưỡng giàu vitamin rất tốt cho sức khỏe.

Các loại hoa quả thường dùng để làm sinh tố như: dâu tây, cà rốt, bơ, xoài, chuối, dứa, đu đủ, dưa hấu, mãng cầu, táo, mít, thanh long,. Sinh tố là loại thức uống dùng liền, vì có cả đá và hoa quả xay nhuyễn nên rất chóng hỏng và các chất dinh dưỡng nhanh chóng bị mất. Lợi ích dinh dưỡng của sinh tố Uống sinh tố hoa quả hoặc rau xanh là một trong những cách dễ dàng nhất để bổ sung những dưỡng chất cần thiết cho cơ thể. Dưới đây là những lợi ích của sinh tố đối với sức khỏe [1]:  Sinh tố cung cấp cho cơ thể các vitamin, khoáng chất cần thiết và cung cấp chất xơ cho cơ thể và hỗ trợ tiêu hóa  Sinh tố cung cấp những dưỡng chất cần thiết để củng cố hệ miễn dịch, trí tuệ minh mẫn và khả năng nhận thức tốt  Sinh tố sẽ giúp tăng cường năng lượng, bổ sung nước cho cơ thể, hỗ trợ cơ thể giải độc và mang lại cho bạn làn da tươi sáng.

Và các loại sinh tố rau xanh rất ít calo, giúp bạn dễ dàng đạt được mục tiêu giảm cân 1. Lý do chọn đề tài Cuộc sống ngày nay ngày càng thiên về xu hướng hiện đại, nhanh gọn và tiết kiệm. Vì vậy thời gian để người dùng có thể tự tay làm một ly sinh tố cho riêng mình, từ mua trái cây, làm sạch, thái nhỏ, và bỏ vào máy xay đến khi có một ly sinh tố cũng mất khoảng 20 phút. Bên cạnh đó nếu mua từ những cửa hàng bên ngoài thì có thể tiết kiệm được thời gian nhưng chất lượng và an toàn vệ sinh thực phẩm vẫn chưa đảm bảo cho sức khỏe người tiêu dùng.

Từ những lí do đó nhóm đã bàn bạc và đưa ra quyết định thực hiện đề tài này. Tổng quan về máy thực phẩm tự động trong nước và ngoài nước 1. Máy thực phẩm tự động là gì? Máy thực phẩm tự động là những máy xử lý một hay nhiều giai đoạn trong đời sống con người liên quan tới thực phẩm. Giúp thay thế sức lao động con người và rút ngắn thời gian.

Như máy bán phở tự động SPKT ta chỉ cần cấp phở, nước lèo, thịt, gia vị và phụ kiện kèm theo như tô, đũa. Tùy theo tùy chọn người dùng máy sẽ tự cấp nguyên liệu, chế nước lèo và đưa ra một tô phở vừa nóng vừa ngon (Hình 1. 2 do an Hình 1.2: Máy bán phở tự động SPKT [2] Đối với máy pha cà phê tự động, ta chỉ cần cấp cà phê hạt, đường, sửa và nước. Tùy theo các tùy chọn người dùng máy sẽ tự xay cà phê, đun nước và pha cà phê, đường, sữa cho ra một ly cà phê nóng hỏi.

Thí dụ một máy pha cà phê Gaggia Classic.3: Máy pha cà phê Gaggia Classic [3] 3 do an Như máy làm kem tự động. Người dùng chỉ cần cấp sửa tươi, sửa tạo kem, đường và các hương vị như: chocolate, vani, xoài, dâu,… Tùy theo các tùy chọn của người dùng máy sẽ tự cho ra kem tươi mát lạnh theo ý muốn. Thí dụ một máy làm kem tươi Elip Universal Lốc Panasonnic.4: Máy làm kem tươi Elip Universal Lốc Panasonnic [4] Đối với máy làm sinh tố tự động, cơ cấu và nguyên lí cũng như thế.