Đồ án: Máy tự động dán nắp hộp sữa trong dây chuyền thực phẩm - ĐH SPKT TPHCM

Tài liệu đồ án thiết kế chế tạo máy tự động dán nắp hộp sữa trong dây chuyền thực phẩm. Gồm bản vẽ, thuyết minh tính toán và nguyên lý hoạt động.

• Tác giả: Mai Minh Duy
• Người hướng dẫn: TS. Võ Xuân Tiến
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Máy Tự Động Dán Nắp Hộp Sữa Trong Dây Chuyền Thực Phẩm
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Máy Dán Nắp Hộp Sữa Tự Động

Máy dán nắp hộp sữa tự động là một thiết bị công nghiệp hiện đại được thiết kế chuyên biệt cho dây chuyền thực phẩm hiệu quả cao. Máy này có khả năng thực hiện quy trình dán nắp hộp sữa với năng suất 700 hộp/giờ, đáp ứng nhu cầu sản xuất của các nhà máy thực phẩm lớn. Hệ thống được điều khiển bằng PLC (Programmable Logic Controller), cho phép tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm sai sót con người. Công nghệ này sử dụng hệ thống bộ truyền xích để đảm bảo hoạt động ổn định và liên tục. Với thời gian làm việc dài hạn (3 năm), máy dán nắp tự động mang lại hiệu quả kinh tế cao cho các doanh nghiệp sản xuất đồ uống và sữa.

1.1. Định Nghĩa Và Mục Đích Sử Dụng

Máy dán nắp hộp sữa tự động là thiết bị chuyên dụng giải quyết bài toán tự động hóa dây chuyền thực phẩm. Mục đích chính là thay thế công lao động thủ công, nâng cao chất lượng sản phẩm và tốc độ sản xuất. Máy được thiết kế với kích thước hộp sữa giấy 1 lít (70x75x200mm) và nắp có kích thước 33x31x16mm, phù hợp với tiêu chuẩn công nghiệp.

1.2. Ứng Dụng Trong Công Nghiệp Thực Phẩm

Trong ngành công nghiệp thực phẩm, máy dán nắp hộp sữa tự động đóng vai trò then chốt. Nó giải quyết các thách thức về tính nhất quán, an toàn vệ sinh và hiệu suất sản xuất. Được sử dụng rộng rãi tại các nhà máy sữa, máy hoạt động 2 ca/ngày, 8 giờ/ca với độ tin cậy cao.

II. Cấu Trúc Và Nguyên Lý Hoạt Động

Máy dán nắp hộp sữa tự động bao gồm các thành phần chính như hệ thống khí nén, bộ truyền xích, cơ cấu định vị hộp sữa, đầu dán nắp và bộ điều khiển PLC. Nguyên lý hoạt động dựa trên chuỗi các động tác được lập trình chính xác: hộp sữa được vận chuyển qua dây chuyền thực phẩm, được định vị chính xác, nắp được áp dụng và dán kín một cách tự động. Hệ thống bộ truyền xích đảm bảo chuyển động ổn định, trong khi cảm biến khí nén giám sát các thông số hoạt động. Toàn bộ quy trình được điều khiển bởi PLC, cho phép điều chỉnh tham số và tối ưu hóa năng suất 700 hộp/giờ một cách linh hoạt.

2.1. Các Thành Phần Chính

Các thành phần chính bao gồm: (1) Hệ thống bộ truyền xích vận chuyển hộp sữa, (2) Cơ cấu định vị đảm bảo vị trí chính xác, (3) Đầu dán nắp thực hiện kỹ thuật dán, (4) Bộ điều khiển PLC quản lý toàn bộ quy trình, (5) Cảm biến khí nén giám sát hoạt động. Mỗi thành phần được thiết kế để hoạt động điều hòa, đảm bảo hiệu suất cao nhất.

2.2. Nguyên Lý Hoạt Động Chi Tiết

Quy trình hoạt động bắt đầu khi hộp sữa được phát vào dây chuyền thực phẩm, đến vị trí định vị được nhận diện bởi cảm biến. PLC phát lệnh cho cơ cấu định vị giữ chắc hộp, sau đó đầu dán nắp thực hiện công việc dán với áp lực và tốc độ được tối ưu. Sau khi hoàn thành, hộp sữa được đưa sang công đoạn tiếp theo.

III. Quá Trình Thiết Kế Và Tính Toán Kỹ Thuật

Thiết kế máy dán nắp hộp sữa tự động yêu cầu các tính toán kỹ thuật chuyên sâu dựa trên các số liệu cụ thể. Với năng suất 700 hộp/giờ, kích thước hộp 70x75x200mm và nắp 33x31x16mm, nhóm thiết kế phải tính toán lực cần thiết, tốc độ bộ truyền xích, và công suất động cơ. Quá trình thiết kế tuân thủ các tiêu chuẩn công nghiệp và quy chuẩn an toàn. Sử dụng phần mềm CAD (Computer-Aided Design) để tạo mô hình 3D chi tiết, đảm bảo tính khả thi và tối ưu hóa vật liệu. Các tính toán bao gồm phân tích lực, mô-men xoắn, ứng suất trên các bộ phận chịu tải, và kiểm tra độ bền theo tiêu chuẩn quốc tế.

3.1. Tính Toán Năng Suất Và Kích Thước

Dựa trên năng suất 700 hộp/giờ, tức 11.67 hộp/phút, thời gian chu kỳ mỗi hộp là khoảng 5.14 giây. Từ đây tính toán tốc độ dây chuyền, kích thước các khâu cơ cấu và công suất động cơ cần thiết. Kích thước hộp sữa 70x75x200mm quyết định không gian làm việc của máy, trong khi kích thước nắp 33x31x16mm ảnh hưởng đến thiết kế đầu dán.

3.2. Phân Tích Và Kiểm Tra Độ Bền

Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để phân tích ứng suất và biến dạng. Các bộ phận quan trọng như trục, bánh răng trong hệ thống bộ truyền xích được kiểm tra theo tiêu chuẩn ISO. Với thời gian làm việc 3 năm (300 ngày/năm, 2 ca/ngày), máy phải đạt độ bền cực cao để tránh hỏng hóc.

IV. Điều Khiển Tự Động Và Triển Khai Thực Tế

Hệ thống điều khiển PLC là trái tim của máy dán nắp hộp sữa tự động, giúp tối ưu hóa toàn bộ quy trình sản xuất. Lập trình PLC cho phép tự động hóa dây chuyền thực phẩm với mức độ chính xác cao nhất. Các cảm biến khí nén cung cấp thông tin phản hồi theo thời gian thực, cho phép điều khiển phản ứng nếu có bất kỳ sai sót nào. Hệ thống được lập trình để thực hiện các tuần tự động tác: định vị hộp → kích hoạt đầu dán → dán nắp → đẩy hộp sang công đoạn tiếp theo. Giao diện người-máy (HMI) cho phép công nhân giám sát và điều chỉnh thông số một cách dễ dàng. Máy còn được trang bị hệ thống khí nén cấp nén, lọc và điều áp, đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn cho toàn bộ dây chuyền thực phẩm.

4.1. Lập Trình Và Điều Khiển PLC

Chương trình PLC được viết dựa trên logic Ladder hoặc ngôn ngữ cấu trúc (STL). Mỗi cảm biến khí nén được kết nối với đầu vào PLC, trong khi các van điều khiển kết nối với đầu ra. Lập trình xác định tuần tự các tín hiệu, cho phép máy hoạt động tự động với năng suất 700 hộp/giờ ổn định. Hệ thống có khả năng tự chẩn đoán lỗi và dừng an toàn nếu phát hiện sự cố.

4.2. Triển Khai Và Vận Hành Thực Tế

Sau thiết kế hoàn tất, mô hình máy dán nắp được chế tạo và thử nghiệm. Các bản vẽ kỹ thuật được lập chi tiết để hướng dẫn sản xuất và lắp ráp. Trong giai đoạn vận hành thực tế, máy phải hoạt động liên tục 2 ca/ngày, 8 giờ/ca trong 300 ngày/năm suốt 3 năm. Các kỹ sư bảo trì được đào tạo để vệ sinh, bảo dưỡng định kỳ, đảm bảo hiệu suất cao nhất của dây chuyền thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG DÁN NẮP HỘP SỮA TỰ ĐỘNG 1. Lịch sử nghiên cứu Trong những năm đầu của thế kỷ 20, công việc đóng gói, nắp chai thường được công nhân thực hiện thủ công, điều đó khiến cho độ sai lệch của sản phẩm quá lớn dẫn đến năng suất không đạt hiệu quả cao. Từ năm 1930 – 1940, cùng với sự phát triển của công nghệ tự động hóa bắt đầu xuất hiện, mặc dù công nghệ này được áp dụng lần đầu tiên nên còn có nhiều hạn chế về tính linh hoạt nhưng đã đặt nền móng cho sự ra đời của hệ thống dán nắp chai tự động đầu tiên. Từ năm 1950 – 1960, công nghệ tự động hóa ngày càng phát triển, tạo điều kiện thuận lợi cho quy trình này cũng phát triển mạnh mẽ hơn, cải thiện nhanh độ hiệu quả, chính xác và nâng cao năng suất của ngành công nghiệp này.

Đến những năm 1980, công nghệ này được trang bị thêm những thiết bị như cảm biến, điều khiển thông qua máy tính để nâng cao tính linh hoạt của công nghệ. Từ những năm 2000 trở đi, trí tuệ nhân tạo (AI) và công nghệ IoT được kết hợp với quy trình này, giúp cho ngành công nghiệp dán nắp chai tự động dễ dàng trong việc kiểm soát chất lượng, theo dõi quy trình vận hành, điều khiển thiết bị từ xa, tạo điều kiện thuận lợi cho các doanh nghiệp tối ưu hóa quá trình vận hành, giảm tối đa chi phí và đáp ứng nhu cầu đa dạng hóa của thị trường đóng nắp chai với nhiều loại khác nhau. Tình hình ở Việt Nam: Trong môi trường sản xuất đồ uống tại Việt Nam, các doanh nghiệp có xu hướng áp dụng các công nghệ hiện đại và tự động hóa để cải thiện hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Hệ thống dán nắp chai tự động đã trở thành một phần quan trọng của các dây chuyền sản xuất và đóng gói.

Việc đầu tư vào công nghệ tự động hóa giúp các doanh nghiệp ở Việt Nam nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường quốc tế và đáp ứng nhanh chóng nhu cầu ngày càng tăng của người tiêu dùng. Đồng thời, sự tiện lợi và độ chính xác của hệ thống tự động hóa cũng đóng góp vào việc đảm bảo an toàn và chất lượng sản phẩm trên thị trường nội địa. Các vấn đề đặt ra Hiện nay, nhu cầu thiết kế và triển khai máy dán nắp chai tự động đang trở nên cấp thiết do một số thực trạng và xu hướng trong ngành công nghiệp đóng gói và sản xuất. Dưới đây là các yếu tố chính: • Nhu cầu sản xuất lớn và tăng trưởng nhanh Với sự gia tăng dân số và nhu cầu tiêu dùng, ngành sản xuất đồ uống, dược phẩm, và các sản phẩm đóng chai khác đang phải đối mặt với áp lực sản xuất lớn và yêu cầu về tốc độ cao.

• Yêu cầu về chất lượng và an toàn sản phẩm Người tiêu dùng ngày càng chú trọng đến chất lượng và an toàn của sản phẩm, đặc biệt là trong ngành thực phẩm và dược phẩm. Máy dán nắp chai tự động giúp đảm bảo độ chính xác và nhất quán trong quá trình dán nắp, giảm thiểu rủi ro ô nhiễm và lỗi sản phẩm. • Yêu cầu về hiệu quả và tiết kiệm chi phí Các doanh nghiệp luôn tìm kiếm các giải pháp để giảm chi phí sản xuất và tối ưu hóa quy trình làm việc. Máy dán nắp chai tự động giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu lãng phí nguyên vật liệu và tăng hiệu quả sử dụng năng lượng.

• Xu hướng tự động hóa và Công nghiệp 4.0 Xu hướng tự động hóa và chuyển đổi số trong ngành công nghiệp đang thúc đẩy việc ứng dụng các công nghệ mới, như IoT và trí tuệ nhân tạo. Máy dán nắp chai tự động tích hợp các công nghệ IoT và AI giúp nâng cao khả năng giám sát, điều khiển từ xa và tối ưu hóa quy trình sản xuất thông qua dữ liệu và phân tích thông minh. Giải quyết vấn đề : Để giải quyết vấn đề được đặt ra, ta cần xác định được nguyên lý vận hành của hệ thống và chi tiết cần thiết kế. Sau đó xây dựng sơ đồ khối để xác định cơ chế vận hành cho từng khối.

Cách thức thực hiện đề tài : “Hệ thống dán nắp hộp sữa tự động” để có thể thực hiện được đề tài này thì nhóm cần phải nắm được những kiến thức về cơ khí, về điện tử, về tự động hóa,… để có kiến thức làm nền tảng xây dựng và phát triển đề tài. Đồng thời cần xây dựng mô hình phần cứng của hệ thống để làm cơ sở cho đề tài. Mô hình hệ thống gồm 2 phần : Phần cứng và phần mềm. Do đó, ta phải có 2 loại giải pháp về phần cứng và phần mềm.

Giải pháp phần cứng : gồm cơ chế cấp hộp sữa tự động và dán nắp chai 19 - Dùng băng chuyền để vận để phôi (hộp sữa) - Dùng động cơ xoay để đưa nắp vào công cụ để dán nắp Giải pháp phần mềm : Xây dựng lưu đồ giải thuật cho chương trình hệ thống, dùng chương trình để lập trình điều khiển cho PLC Siemens theo kiểu LAD. Đối tượng nghiên cứu - Thiết kế cơ cấu máy dán nắp chai, bao gồm các thành phần như băng tải, bộ phận giữ chai, và cơ chế dán nắp. - Phát triển hệ thống điều khiển tự động, bao gồm các cảm biến, bộ điều khiển lập trình (PLC), và các phần mềm giám sát và điều khiển. - Xây dựng các tính năng an toàn cho máy dán nắp chai, bao gồm các hệ thống bảo vệ, cảnh báo và nút dừng khẩn cấp.

- Phát triển các quy trình vận hành và bảo trì hiệu quả, bao gồm đào tạo nhân viên và thiết lập lịch trình bảo trì định kỳ. Tập trung nghiên cứu các đối tượng này sẽ giúp phát triển máy dán nắp chai tự động với hiệu suất cao, tính linh hoạt, độ chính xác và an toàn, đáp ứng các yêu cầu khắt khe của ngành công nghiệp đóng gói hiện đại. Phương pháp nghiên cứu - Quan sát và thu thập thông tin hình ảnh, số liệu, thông số kỹ thuật, vật liệu, tính ứng dụng, ưu, nhược điểm và năng suất về các mẫu máy tương tự đã có trên thị trường. - Phân tích và tổng hợp các chi tiết, hệ thống và động cơ của các sản phẩm đã có.

- Kiến thức cơ bản về lập trình PLC, xử lý ảnh, thiết kế điện và cơ khí. - Dùng phương pháp thử và sai để tiến hành thiết kế từng hệ thống, bộ phận của máy. - Thiết kế mạch điện điều khiển, lập trình hệ thống sử dụng PLC, gia công các chi tiết của máy. - Tiến hành lắp ráp và thử nghiệm sản phẩm.

- Nhận xét ưu và nhược điểm, tiến hành cải tiến sản phẩm sau quá trình thử nghiệm. - Viết kết luận và các tài liệu kỹ thuật liên quan về sản phẩm nghiên cứu. Dự kiến kết quả đạt được 1. Phần lý thuyết - Giới thiệu tổng quan về hệ thống dán nắp hộp sữa tự động.

- Lý thuyết về bộ điều khiển lập trình PLC, động cơ DC giảm tốc, xi lanh khí nén, rơ-le, van điện từ khí nén. Phần tính toán, thiết kế - Thiết kế, tính toán và chế tạo phần cơ khí. - Thiết kế và thi công mạch điều khiển. - Chế tạo thành công mô hình máy dán nắp hộp sữa tự động với số lượng 700 hộp/giờ.

21 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng quan về PLC 2. Giới thiệu về PLC PLC (Programmable Logic Controller) là bộ lập trình cho phép người lập trình tạo ra một chu trình hay các chương trình chạy theo một cách tuần tự như mong muốn. Lập trình PLC là việc hiểu và kết hợp các tín hiệu đầu vào, cùng với các khối lệnh có sẵn để tạo ra tín hiệu ngõ ra như mong muốn, nhầm điều khiển các thiết bị.

Các tín hiệu ngõ vào PLC: các loại nút nhấn, công tắc, cảm biến,. Các tín hiệu ngõ ra phổ biến của PLC: Driver motor, van điện từ, contactor, rơ le,. Giới thiệu về PLC siemens S7 - 1200 S7-1200 ra đời năm 2009 dùng để thay thế dần cho S7-200. So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội hơn.

S7-1200 được thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh giúp những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200. S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP. Sự khác biệt giữa PLc S7-200 và PLC S7-1200 siemens[4] 2. Nguyên lí hoạt động: Khi tải chương trình từ phần mềm lập trình vào CPU của PLC, bộ xử lí sẽ đọc và thực hiện các tín hiệu đóng, mở ngõ ra theo từng câu lệnh được lập trình.

Các tín hiệu ngõ ra được đưa tới 22 các thiết bị khí cụ và thực hiện các hoạt động như cơ cấu đã được thiết kế trước đó, các hoạt động đó được thực hiện và điều khiển bởi chương trình đã lưu trữ trong bộ nhớ. Ứng dụng của PLC S7-1200 - Các dây chuyền máy móc đóng gói thực phẩm. - Xây dựng nhà ở thông minh. - Các máy móc ngành dược phẩm.

- Lĩnh vực trộn, nghiền bê tông trong xây dựng.Lập trình Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic. Step7 Basic hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL. Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal của Siemens.Module mở rộng PLC S7-1200 Để nâng cao khả năng và tính linh hoạt của hệ thống PLC S7 1200, việc sử dụng các module mở rộng là cần thiết. S7-1200 có các loại module mở rộng sau: • Module mở rộng tín hiệu Signal Boards (SB) - Một CPU S7-1200 có thể kết nối với một Signal Board ngay trực tiếp với mặt trước của PLC, giúp tiết kiệm được không gian khi cần thêm một số lượng ít ngõ vào và ra.

- I/O có thể mở rộng bao gồm: DI, DO, AI, AO hoặc hỗn hợp. Module mở rộng Signal Board[5] 23  Module mở rộng tín hiệu Digital Cấu hình với TIA Portal cực kỳ đơn giản. Digital Module giúp hỗ trợ thêm các DI, DO gồm các loại 8, 16 và 32. Có thể sử dụng với tất cả các CPU S7-1200 trừ 1211C.

 Module mở rộng tín hiệu Analog Analog Module giúp mở rộng thêm các AI, AO ngoài các đầu vào / đầu ra tương tự tích hợp hiện có. Có thể sử dụng với tất cả các CPU S7-1200 trừ 1211C.  Module mở rộng tín hiệu Failsafe Digital Failsafe Digital Module được sử dụng phổ biến cung cấp DI, DO tương ứng với các mô-đun tiêu chuẩn về kích thước của chúng. Chức năng an toàn được chứng nhận theo EN 61508.