Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế hiện đại hóa quy trình sản xuất công nghiệp, việc thay thế các thao tác thủ công lặp đi lặp lại bằng hệ thống máy móc tự động hóa đóng vai trò cốt lõi nhằm giải phóng sức lao động, nâng cao năng suất và đảm bảo tính đồng đều của sản phẩm. Tại Việt Nam, yêu cầu thực tiễn đặt ra cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ là vừa tiếp cận công nghệ điều khiển tiên tiến, vừa tận dụng và cải tiến cơ sở vật chất sẵn có để tối ưu hóa chi phí đầu tư.

Đề tài "Thiết kế và chế tạo mô hình đóng nắp chai tự động" do nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thực hiện (dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Đức Sâm), xuất phát trực tiếp từ quá trình tham quan và khảo sát nhu cầu đóng gói chất lỏng thực tế tại xưởng sản xuất thuốc trừ sâu của Công ty Hóa nông Hợp Trí (Khu công nghiệp Nhà Bè, TP. Hồ Chí Minh).

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể trong đồ án gồm:

  1. Ứng dụng các kiến thức chuyên ngành cơ khí, khí nén và điều khiển tự động đã học vào quy trình tính toán, thiết kế và chế tạo một mô hình máy hoàn chỉnh.
  2. Tích lũy kinh nghiệm thực tế về gia công cơ khí chính xác và lập trình điều khiển hệ thống tự động hóa bằng bộ điều khiển logic khả trình (PLC).
  3. Hướng tới khả năng ứng dụng thiết bị vào phục vụ sản xuất thực tế tại doanh nghiệp, nhằm cải thiện điều kiện làm việc của công nhân và nâng cao năng suất đóng gói.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia theo kế hoạch 7 tuần:

  1. Chọn đề tài và xác định tên đề tài (Tuần 1).
  2. Tham quan, khảo sát dây chuyền tại Công ty Hóa nông Hợp Trí, xây dựng ý tưởng thiết kế nguyên lý và cơ cấu chấp hành (Tuần 2).
  3. Thiết kế tổng thể toàn bộ mô hình và bắt đầu viết bản thuyết minh (Tuần 3).
  4. Lên bản vẽ chi tiết, bản vẽ lắp và dựng phim mô phỏng (Tuần 4).
  5. Gia công cơ khí, chế tạo chi tiết và lắp ráp mô hình vật lý (Tuần 5).
  6. Chạy thử nghiệm, kiểm tra và hiệu chỉnh mô hình (Tuần 6).
  7. Hoàn thiện bản thuyết minh, kiểm tra tổng thể và nộp đề tài (Tuần 7).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động cho sản phẩm chất lỏng (nước giải khát, thực phẩm hoặc hóa chất/thuốc trừ sâu dạng lỏng).
  • Đối tượng phôi: Chai nhựa Poly Ethylene Terephthalate (PET) dung tích 330ml và nắp nhựa tiêu chuẩn.
  • Phạm vi công đoạn thực hiện trong giới hạn đồ án: Cấp chai bằng tay lên cơ cấu cấp phôi, chiết rót chất lỏng tự động theo thời gian định sẵn, cấp nắp bằng tay/cơ cấu cấp nắp, và vặn xoáy nắp tự động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài xây dựng trên nền tảng kết hợp liên ngành giữa cơ học máy, truyền động khí nén và kỹ thuật điều khiển tự động:

  • Cơ sở tính toán cơ khí: Ứng dụng lý thuyết tính toán bộ truyền xích con lăn, tính chọn công suất động cơ điện một chiều dẫn động băng tải, phân tích động học và động lực học cơ cấu xoay nắp để xác định mô-men cản, lực ma sát và lực kẹp giữ chai trong quá trình xoắn nắp.
  • Cơ sở truyền động khí nén: Ứng dụng lý thuyết khí động học, phương pháp tính toán lực đẩy/kéo của xilanh khí nén tác dụng hai chiều dựa trên áp suất nguồn khí ($p = 6\text{ bar}$) và diện tích làm việc của pittông, nguyên lý điều khiển hướng dòng khí qua hệ thống van đảo chiều 5/2.
  • Cơ sở điều khiển lập trình: Lý thuyết điều khiển logic khả trình trên dòng PLC Simatic S7-200 (CPU 224) của hãng Siemens, cấu trúc vòng quét (Scan Cycle), tổ chức các vùng nhớ hệ thống ($V, I, Q, M, T, C$) và lập trình sơ đồ bậc thang Ladder (LAD).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích tài liệu: Nghiên cứu tài liệu hướng dẫn kỹ thuật của nhà sản xuất Siemens về dòng PLC S7-200, sổ tay thiết kế chi tiết máy và giáo trình khí nén - thủy lực.
  • Phương pháp khảo sát thực địa: Quan sát, ghi nhận quy trình vận hành và yêu cầu kỹ thuật đối với khâu đóng nắp chai tại xưởng sản xuất Công ty Hóa nông Hợp Trí.
  • Phương pháp thiết kế và tính toán kỹ thuật: Thiết lập mô hình tính toán giải tích lực kẹp, mô-men xoắn, công suất động cơ; xây dựng bản vẽ thiết kế 2D/3D các cụm chi tiết máy.
  • Phương pháp thực nghiệm - chế tạo: Gia công cơ khí thực tế (tiện rulô, phay CNC đĩa mâm xoay, định hình khung nhôm), lắp ráp phần cứng, kết nối mạch điện - khí nén và nạp chương trình điều khiển để kiểm nghiệm chu trình vận hành.

Nguồn dữ liệu sử dụng:

  • Thông số kỹ thuật chai nhựa PET 330ml: Chiều cao $165\text{ mm}$, đường kính đáy $\varnothing 60\text{ mm}$, đường kính cổ và miệng $\varnothing 32\text{ mm}$, độ dày thân chai $1\text{ mm}$, nhiệt độ chảy mềm $80^\circ\text{C}$.
  • Thông số kỹ thuật nắp chai: Đường kính $\varnothing 32\text{ mm}$, chiều cao $15\text{ mm}$, bề dày thành nắp $1\text{ mm}$, bề dày đỉnh nắp $2\text{ mm}$.
  • Thông số thiết bị và linh kiện: Động cơ DC giảm tốc 24V (80W, 40W), động cơ bước 2 pha 24V DC (dòng định mức 3A, góc bước $1.8^\circ$), bộ điều khiển Microstep Driver (12–45V DC), hệ thống van đảo chiều 5/2 và cảm biến quang, cảm biến từ.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế dưới dạng mô hình liên hoàn kết hợp các cụm cơ khí chấp hành, hệ thống dẫn động khí nén và tủ điều khiển trung tâm sử dụng PLC.

Cụm cơ cấu Thông số kỹ thuật và vật liệu chế tạo Thiết bị dẫn động / Chấp hành Chức năng hoạt động
Khung thân máy Nhôm hộp ($12\times 25, 25\times 25, 25\times 50, 25\times 75, 76\times 25\text{ mm}$), lõi nhét gỗ tăng cứng, mặt bích mika dày $2\text{ mm}$ Không Đỡ toàn bộ hệ thống, triệt tiêu rung chấn và biến dạng khi chịu lực
Băng tải 1 & 2 Băng tải đai, đai giấy nhám vải mịn loại 400 đặt trên tấm fip mỏng; rulô nhựa cứng $\varnothing 40\text{ mm}$ tiện nhám 2 Động cơ DC 24V có hộp giảm tốc (công suất nguồn $80\text{ W}$, tính toán $35\text{ W}$) Vận chuyển chai vào vị trí chiết rót (Băng tải 1) và đưa chai thành phẩm ra ngoài (Băng tải 2)
Mâm xoay cấp chai Tôn mỏng $1\text{ mm}$ uốn tròn có đáy, gắn trực tiếp trục động cơ 1 Động cơ DC 24V Chứa phôi chai và đưa chai tuần tự vào đầu băng tải 1
Mâm xoay đóng nắp 2 đĩa nhựa cứng gia công 6 rãnh cung tròn trên máy phay CNC, lắp đồng trục 1 Động cơ bước 2 pha ($24\text{V DC}, 3\text{A}, 1.8^\circ/\text{bước}$) + Microstep Driver Định vị và phân độ chai chính xác qua các vị trí cấp nắp, cố định nắp và xoáy nắp
Cụm xoáy nắp Đầu xoáy có đệm cao su tạo ma sát; cơ cấu trượt con lăn trong nhôm hộp $25\times 75$ trên trụ nhôm $25\times 50$ có lò xo nén 1 Động cơ DC 24V ($40\text{ W}, 150\text{ v/ph}$) + 1 Xilanh khí nén 2 tác động Động cơ quay liên tục đầu xoáy; xilanh hạ cụm đầu xoáy; lò xo nén duy trì lực siết và chống bẹp chai
Hệ thống khí nén Áp suất làm việc $6\text{ bar}$, đường kính tính toán xilanh kẹp $D \ge 8.6\text{ mm}$ (chọn $D = 10\text{ mm}$) 8 Xilanh khí nén tác dụng hai chiều + Các cụm van điện từ đảo chiều 5/2 Thực hiện các hành trình: Chặn chai, nâng hạ vòi chiết, nâng hạ đầu xoáy, ép cố định nắp, phân loại chai

Quy trình phối hợp vận hành và kiểm thử hệ thống:

  1. Giai đoạn nạp và chiết rót: Chai từ mâm xoay cấp chai được chuyển sang băng tải 1. Cảm biến quang phát hiện chai, điều khiển băng tải 1 dừng lại đúng vị trí chiết rót. Xilanh khí nén hạ vòi chiết xuống rót chất lỏng vào chai theo khoảng thời gian được thiết lập bởi bộ định thời (Timer) trong PLC. Kết thúc thời gian rót, xilanh nâng vòi lên và băng tải 1 tiếp tục chuyển chai đến mâm xoay đóng nắp.
  2. Giai đoạn cấp nắp và định vị: Cảm biến quang tại mâm xoay đóng nắp phát hiện chai đã chiết rót, kích hoạt chương trình con phát xung điều khiển động cơ bước quay phân độ. Chai được đưa qua vị trí cấp nắp. Cảm biến xác nhận có nắp trên chai, mâm xoay dừng lại; xilanh cố định nắp đi xuống ấn nắp gá chặt tạm thời vào miệng chai rồi rút lên, mâm xoay tiếp tục quay.
  3. Giai đoạn xoáy nắp: Khi chai đến vị trí đóng nắp, mâm xoay dừng. Động cơ DC của cụm xoáy nắp luôn quay với tốc độ 150 vòng/phút. Xilanh khí nén đẩy toàn bộ cụm đầu xoáy đi xuống. Đệm cao su tại đầu xoáy ép sát vào nắp chai tạo lực ma sát làm nắp xoay và siết chặt vào ren cổ chai. Khi lực ép đạt giới hạn, cơ cấu trượt trượt lùi lên trên rãnh dẫn hướng nhờ lò xo giảm chấn, bảo vệ thân chai PET không bị biến dạng hoặc nứt vỡ. Xilanh rút đầu xoáy lên sau khi hoàn tất hành trình.
  4. Giai đoạn kiểm tra và phân loại thành phẩm: Mâm xoay đưa chai đã đóng nắp sang băng tải 2. Cảm biến quang trên băng tải 2 thực hiện kiểm tra nắp: Nếu chai đạt tiêu chuẩn, băng tải 2 tiếp tục vận chuyển chai ra bàn thành phẩm; nếu phát hiện chai chưa đóng nắp hoặc nắp bị lỗi, băng tải 2 dừng lại, xilanh phân loại đẩy chai lỗi ra khu vực riêng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về đề tài

Chương mở đầu phân tích tính cấp thiết của việc áp dụng khoa học kỹ thuật và tự động hóa trong sản xuất công nghiệp tại Việt Nam nhằm thay thế lao động thủ công nặng nhọc. Tác giả trình bày ý tưởng xuất phát từ chuyến tham quan thực tế nhà máy sản xuất thuốc trừ sâu của Công ty Hóa nông Hợp Trí tại KCN Nhà Bè. Chương này xác định rõ mục tiêu nghiên cứu, giới hạn phạm vi đề tài vào 4 công đoạn (cấp chai tay, chiết rót tự động, cấp nắp tay, đóng nắp tự động), kế hoạch tiến độ 7 tuần, và cung cấp các thông số hình học chi tiết của chai nhựa PET 330ml cùng nắp chai tiêu chuẩn làm cơ sở tính toán kích thước máy.

Chương II: Phần nội dung

Chương II tập trung toàn bộ phần tính toán và thiết kế kỹ thuật cơ khí, khí nén của mô hình:

  • Trình bày giải pháp kết cấu: Sử dụng nhôm định hình kết hợp lót gỗ bên trong các khoang chịu lực lớn để gia tăng độ cứng vững và chống biến dạng.
  • Tính chọn băng tải đai: Đưa ra lý do chọn băng tải đai hạt nhám loại 400 trên tấm fip đỡ do kết cấu đơn giản, tải trọng nhẹ và chi phí thấp; thiết kế chi tiết rulô nhựa trắng $\varnothing 40\text{ mm}$ gia công tiện có nhám bề mặt.
  • Tính chọn động cơ và bộ truyền xích: Lựa chọn bộ truyền xích con lăn với số răng đĩa nhỏ $Z_1 = 13$, đĩa lớn $Z_2 = 26$ (tỉ số truyền $u = 2$), hệ số điều kiện sử dụng $K = 1.95$, hệ số vòng quay $K_n = 0.35$. Từ công suất ban đầu $80\text{ W}$, tính toán công suất yêu cầu của động cơ đạt $N_{đc} = 35\text{ W}$.
  • Phân tích động lực học xoáy nắp: Động cơ DC đầu xoáy ($P = 40\text{ W}, n = 150\text{ v/ph}$) tạo mô-men xoắn $T = 2550\text{ Nmm}$. Phân tích các thành phần mô-men ma sát cản tại bề mặt đệm cao su/nắp ($M_2 = 675\text{ Nmm}$) và ma sát đáy chai/băng tải ($M_3 = 810\text{ Nmm}$). Từ đó xác định mô-men cản cần thiết của cơ cấu kẹp $M_C = 1065\text{ Nmm}$ và lực tác động kẹp giữ chai $F_K = 35.5\text{ N}$.
  • Tính chọn hệ thống khí nén: Tổng quan lịch sử phát triển khí nén; phân tích kết cấu và công thức tính lực xilanh tác dụng đơn, xilanh tác dụng hai chiều có/không giảm chấn; tính toán đường kính làm việc tối thiểu của pittông xilanh kẹp ở áp suất $6\text{ bar}$ là $D = 8.6\text{ mm}$, qua đó lựa chọn xilanh thương mại tiêu chuẩn đường kính $D \ge 10\text{ mm}$.

Chương III: Giới thiệu bộ điều khiển lập trình Simatic S7-200 (PLC)

Chương III trình bày cơ sở lý thuyết về thiết bị điều khiển logic khả trình nhằm thay thế hệ thống rơle truyền thống:

  • Cấu trúc phần cứng PLC: Khối xử lý trung tâm (CPU) với tần số chuẩn 1 hoặc 8 MHz, các loại bộ nhớ (ROM, RAM có pin nuôi, EEPROM), bộ nguồn cung cấp (24V DC và 100–240V AC), cổng truyền thông nối tiếp tiêu chuẩn RS232, RS485 với tốc độ truyền 9600 baud.
  • Khối vào/ra (I/O): Phân tích mạch cách ly quang điện sử dụng điốt phát quang và transistor quang nhằm bảo vệ mạch vi điện tử của CPU trước các xung điện áp quá tải và chống nhiễu công nghiệp (chịu điện áp cách ly tới 1500V).
  • Cấu trúc phần mềm và bộ nhớ PLC S7-200: Phân định các vùng nhớ dữ liệu, vùng đối tượng, chu trình quét tuần hoàn (Scan Cycle), và cấu trúc của 3 phương pháp lập trình phổ biến: sơ đồ bậc thang (LAD), sơ đồ khối chức năng (FBD) và danh sách lệnh (STL).

Chương IV: Hệ thống và chương trình điều khiển

Chương IV đi vào chi tiết cấu hình điều khiển thực tế của mô hình:

  • Các phần tử điều khiển khí nén: Trình bày cấu tạo, ký hiệu và nguyên lý hoạt động của van một chiều, các loại van đảo chiều (3/2, 4/2, 5/2, 4/3) và sơ đồ đấu nối điều khiển cho các cụm van 5/2 trong hệ thống.
  • Cảm biến và định vị hành trình: Cấu tạo và sơ đồ nguyên lý của cảm biến tiệm cận từ trường gắn trên thân pittông xilanh, cảm biến quang điện (loại thu phát riêng, phản xạ gương và phản xạ khuếch tán) dùng để nhận biết phôi chai và nắp.
  • Xây dựng giải thuật và chương trình: Thiết lập sơ đồ điện động lực cấp nguồn $24\text{V DC}$ cho các động cơ và van điện từ, lưu đồ thuật toán điều khiển tổng thể toàn bộ dây chuyền và chương trình điều khiển chi tiết viết bằng ngôn ngữ LAD trên phần mềm của S7-200.

Kết luận

Phần kết luận của đồ án tổng kết quá trình từ khâu khảo sát thực tế, tính toán lý thuyết, thiết kế 3D, gia công cơ khí đến lắp ráp và lập trình điều khiển mô hình thực nghiệm; đánh giá sự phối hợp nhịp nhàng giữa các cụm cơ cấu cơ khí và hệ thống điều khiển tự động PLC.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được:

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình vật lý đóng nắp chai tự động hoạt động đồng bộ, kết hợp cơ khí, khí nén và điện - điện tử.
  • Hệ thống cơ cấu dẫn động gồm 5 động cơ DC 24V (vận hành mâm cấp chai, 2 băng tải đai, cụm cấp nắp, cụm xoáy nắp), 1 động cơ bước 2 pha điều khiển mâm xoay phân độ đóng nắp qua driver chuyên dụng, và hệ thống 8 xilanh khí nén tác dụng kép vận hành ở áp suất 6 bar.
  • Động cơ đầu xoáy nắp duy trì tốc độ ổn định 150 vòng/phút, cung cấp mô-men xoắn định mức $2550\text{ Nmm}$, kết hợp cùng xilanh khí nén kẹp giữ ($F_K = 35.5\text{ N}$) thực hiện vặn nắp kín khít mà không gây trượt ren.
  • Xây dựng hoàn chỉnh chương trình điều khiển tự động dạng LAD trên PLC Siemens S7-200 CPU 224, xử lý tín hiệu từ hệ thống cảm biến quang và cảm biến từ để điều phối chính xác các chu trình chiết rót theo Timer và phân loại sản phẩm lỗi.

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất:

  • Giải pháp tăng cứng khung máy: Sử dụng vật liệu nhôm định hình kết hợp lót lõi gỗ bên trong các thanh nhôm hộp chịu tải giúp giảm giá thành, giảm trọng lượng tổng thể nhưng vẫn đảm bảo triệt tiêu rung chấn và chịu được mô-men xoắn lớn.
  • Cơ cấu xoáy nắp chống bẹp chai: Thiết kế cụm đầu xoáy trượt trên rãnh dẫn hướng có gắn lò xo nén; khi đầu xoáy ép xuống nắp chai, cơ cấu có khả năng trượt lùi lên linh hoạt, duy trì lực ép siết nắp ổn định bằng lực đàn hồi lò xo mà không gây biến dạng thân chai mỏng (1mm).
  • Phân loại lỗi tự động: Bố trí cảm biến kiểm tra và xilanh đẩy ngay trên băng tải đầu ra để tự động tách biệt chai chưa đạt chuẩn đóng nắp ra khỏi dòng sản phẩm thành phẩm.

Đóng góp của đề tài:

  • Hiện thực hóa một mô hình thiết bị tự động hóa đóng nắp chai quy mô phòng thí nghiệm dựa trên khảo sát thực tế tại nhà máy Hóa nông Hợp Trí, chứng minh tính khả thi của giải pháp tích hợp PLC S7-200 với các cơ cấu chấp hành cơ - khí nén giá thành thấp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của mô hình:

  • Công đoạn cấp phôi chai lên mâm xoay và cấp nắp ban đầu vẫn phụ thuộc vào thao tác thủ công của người vận hành, chưa đạt mức tự động hóa 100% toàn dây chuyền.
  • Kích thước các cụm đồ gá, mâm xoay và đầu xoáy nắp được chế tạo cố định theo quy cách duy nhất của chai PET 330ml ($\varnothing 60\text{ mm}$, nắp $\varnothing 32\text{ mm}$), chưa có cơ cấu điều chỉnh linh hoạt cho nhiều kích cỡ chai khác nhau.
  • Hệ thống chưa được trang bị màn hình giao diện người - máy (HMI) hoặc hệ thống giám sát SCADA để theo dõi thông số vận hành và cảnh báo sự cố trực quan.

Hướng phát triển tiếp theo:

  • Thiết kế và tích hợp thêm phễu rung cấp nắp tự động (vibratory bowl feeder) và cơ cấu cấp chai tự động từ thùng chứa để hoàn thiện chu trình khép kín không cần sự can thiệp của con người.
  • Cải tiến cơ cấu kẹp và đầu xoáy nắp có khả năng thay đổi kích thước hoặc thay đổi đầu kẹp nhanh để phục vụ đóng nắp cho nhiều loại chai có dung tích và biên dạng nắp khác nhau.
  • Tích hợp thêm cảm biến đo mức chất lỏng, cảm biến kiểm soát lực siết mô-men điện tử và kết nối màn hình HMI/máy tính giám sát để nâng cao mức độ tin cậy trong sản xuất công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Tự động hóa, Cơ khí Chế tạo máy đang thực hiện đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp liên quan đến hệ thống đóng gói, chiết rót chất lỏng và ứng dụng PLC.
  • Kỹ sư thiết kế cơ khí và điều khiển máy: Đáng tham khảo phần tính toán cân bằng lực và mô-men xoáy nắp chai (phân tích ma sát nắp, ma sát đáy và xác định lực kẹp chống xoay chai), giải pháp cơ cấu trượt có lò xo giảm chấn chống bẹp sản phẩm mỏng, cùng phương pháp lập trình điều khiển phát xung cho động cơ bước kết hợp xilanh khí nén trên PLC S7-200.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nhóm tác giả lại áp dụng phương pháp nhét gỗ vào bên trong các thanh nhôm hộp khi chế tạo khung máy? Nhôm hộp có ưu điểm nhẹ, dễ gia công và thẩm mỹ, nhưng độ cứng vững tại các vị trí bắt bu lông gá động cơ và chân đế chịu lực xoắn lớn có thể bị hạn chế. Nhóm tác giả đã nhét gỗ vào bên trong lòng các thanh nhôm hộp ($25\times 50\text{ mm}$) để gia tăng độ cứng vững cục bộ, giữ chặt chi tiết xuống đế gỗ và triệt tiêu rung chấn trong quá trình động cơ vận hành.

Cơ cấu xoáy nắp giải quyết vấn đề chống bẹp thân chai nhựa PET mỏng ($1\text{ mm}$) như thế nào khi xilanh ép xuống? Cụm đầu xoáy nắp được gá trên một cơ cấu con lăn trượt trong rãnh dẫn hướng nhôm hộp và được giữ bằng lò xo nén. Khi xilanh khí nén đẩy cả cụm đi xuống, đầu xoáy tỳ vào nắp chai; nếu lực ép vượt quá mức cho phép, cụm đầu xoáy sẽ tự động trượt ngược lên trên dọc theo rãnh dẫn hướng. Nhờ đó, lực ép tác dụng lên nắp chai được duy trì hoàn toàn bằng lực đàn hồi của lò xo nén, giúp nắp được siết chặt mà thân chai không bị bẹp.

Các thông số mô-men xoắn và lực kẹp khi xoáy nắp chai được tính toán dựa trên các số liệu nào? Động cơ DC đầu xoáy có công suất $40\text{ W}$, tốc độ $150\text{ v/ph}$ tạo ra mô-men $T = 2550\text{ Nmm}$. Lực ép của đầu xoáy xuống nắp là $F = 90\text{ N}$ tạo ra mô-men ma sát xoáy $M_2 = 675\text{ Nmm}$. Ma sát giữa đáy chai và băng tải tạo ra mô-men cản $M_3 = 810\text{ Nmm}$. Từ đó, mô-men cản tối thiểu mà tay kẹp cần tác dụng lên thân chai là $M_C = M_1 - M_2 - M_3 = 1065\text{ Nmm}$, tương ứng với lực kẹp từ xilanh khí nén là $F_K = M_C / R = 35.5\text{ N}$ (với bán kính chai $R = 30\text{ mm}$).

Mô hình sử dụng những loại động cơ nào cho các cụm truyền động trong dây chuyền? Hệ thống sử dụng tổng cộng 6 động cơ, bao gồm: 5 động cơ điện một chiều DC 24V có hộp giảm tốc (công suất 80W và 40W) để kéo mâm cấp chai, băng tải 1, băng tải 2, băng tải cấp nắp và xoay đầu vặn nắp; cùng 1 động cơ bước 2 pha ($24\text{V DC}, 3\text{A}$, góc bước $1.8^\circ$) kết hợp driver điều khiển Microstep Driver chuyên dụng để phân độ chính xác cho mâm xoay đóng nắp.

Kích thước tiêu chuẩn của chai và nắp được sử dụng để thiết kế hệ thống là bao nhiêu? Hệ thống được thiết kế theo kích thước chuẩn của chai nhựa PET 330ml (chiều cao $165\text{ mm}$, đường kính đáy $\varnothing 60\text{ mm}$, đường kính cổ và miệng $\varnothing 32\text{ mm}$, độ dày thân $1\text{ mm}$, chảy mềm ở $80^\circ\text{C}$) và nắp nhựa hình trụ tròn (đường kính ngoài $\varnothing 32\text{ mm}$, chiều cao $15\text{ mm}$, độ dày thành $1\text{ mm}$, độ dày đỉnh nắp $2\text{ mm}$).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo mô hình đóng nắp chai tự động" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế, tính toán động lực học và chế tạo một hệ thống cơ điện tử hoàn chỉnh phục vụ chiết rót, đóng nắp chai PET 330ml. Bằng việc kết hợp hài hòa giữa kết cấu cơ khí định hình giá thành thấp, hệ thống truyền động khí nén 6 bar và bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-200, mô hình đã vận hành thử nghiệm ổn định các chu trình tự động theo đúng yêu cầu đề ra. Công trình là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật thực tiễn cao cho sinh viên và kỹ sư trong lĩnh vực tự động hóa dây chuyền đóng gói công nghiệp.