Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ô nhiễm rác thải nhựa đang là thách thức nghiêm trọng đối với môi trường toàn cầu do các loại túi nylon thông thường cần thời gian hàng trăm năm mới có thể phân hủy sinh học hoàn toàn. Trước yêu cầu phát triển bền vững và giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái, việc chuyển dịch từ bao bì nhựa dùng một lần sang các loại túi thân thiện với môi trường đang trở thành định hướng trọng tâm của ngành công nghiệp đóng gói. Tại thị trường Việt Nam, ngành đóng gói bao bì đạt tốc độ tăng trưởng bình quân từ 15% đến 20%/năm với hơn 900 doanh nghiệp sản xuất, trong đó khoảng 70% tập trung tại các tỉnh phía Nam. Nhu cầu sử dụng túi vải không dệt (làm từ 100% nhựa polypropylene - PP, có khả năng tự phân hủy trong khoảng 2 đến 3 năm) gia tăng mạnh mẽ tại các hệ thống siêu thị, thương mại bán lẻ và dịch vụ quảng bá thương hiệu.

Tuy nhiên, các phương pháp sản xuất túi vải truyền thống dựa trên công đoạn may cơ học bộc lộ nhiều hạn chế về năng suất, yêu cầu chi phí nhân công lớn và chất lượng thành phẩm phụ thuộc hoàn toàn vào tay nghề thợ may. Điển hình, một đường nối dài 0,4 m thực hiện bằng phương pháp may thủ công mất từ 10 đến 15 giây, trong khi công nghệ hàn sóng siêu âm chỉ cần dưới 1 giây để hoàn tất liên kết nhiệt - áp lực ngấu chắc. Nhằm giải quyết điểm nghẽn về năng suất và nội địa hóa thiết bị sản xuất tự động, đồ án tập trung giải quyết bài toán thiết kế chế tạo hệ thống tự động hoàn chỉnh.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể:

  1. Thiết kế dây chuyền sản xuất túi vải không dệt sử dụng công nghệ hàn siêu âm thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật.
  2. Sản phẩm làm ra phải đạt kích thước và chất lượng theo yêu cầu.
  3. Dây chuyền sau khi thiết kế có thể chế tạo hàng loạt, giá thành hợp lý, mẫu mã đẹp để phục vụ thị trường.
  4. Nắm vững kiến thức về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các chi tiết máy cơ bản; vận dụng kiến thức để chế tạo dây chuyền sản xuất túi vải thân thiện với môi trường.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 5 nội dung:

  1. Tìm hiểu tổng quan về vải không dệt và công nghệ hàn siêu âm.
  2. Phân tích lựa chọn phương án thiết kế.
  3. Tính toán động học, động lực học máy.
  4. Thiết kế kết cấu máy và các bộ phận chức năng.
  5. Chế tạo phần cơ khí theo thiết kế.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm: máy sản xuất túi vải, công nghệ hàn siêu âm, phương pháp gia công chế tạo các chi tiết máy cơ khí và quy trình lắp ráp hoàn chỉnh dây chuyền sản xuất. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tính toán, thiết kế và chế tạo thực nghiệm hệ thống máy cơ khí - khí nén trong thời gian 4 tháng (từ ngày 15/03/2017 đến ngày 15/07/2017), hướng đến việc đạt các chỉ tiêu kỹ thuật: năng suất làm việc 45 túi/phút, công suất tiêu thụ toàn hệ thống 4,75 kW, áp suất khí nén cấp 6 - 8 bar, đường hàn ngấu phẳng không bong cháy, độ bền kéo đứt đường dán cạnh đạt tối thiểu ≥ 80 N/50mm, và sai lệch kích thước miệng hai bên thân túi không vượt quá ≤ 1 mm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án được xây dựng từ đặc tính cơ lý của vật liệu vải không dệt và nguyên lý tạo liên kết nhiệt - cơ học bằng sóng siêu âm. Vải không dệt bản chất là mạng lưới xơ sợi nhựa nhiệt dẻo liên kết với nhau bằng phương pháp cơ học, hóa chất hoặc nhiệt. Tính chất của nguyên liệu được xác định theo các tiêu chuẩn công nghiệp: độ bền kéo và độ dãn dài theo tiêu chuẩn ASTM D4595, độ bền xé rách hình thang theo tiêu chuẩn ASTM D4533, độ bền kháng thủng theo tiêu chuẩn ASTM D4833 và DIN 54307, độ dày chịu nén theo ASTM D5199, khối lượng riêng theo ASTM D5261, hệ số thấm theo BS 6906/3 và kích thước lỗ lọc theo EN ISO 12956. Khả năng tương thích hàn siêu âm của các nhóm polyme nhiệt dẻo (như PP, PE, PVC, ABS, Polyester) chỉ ra rằng vật liệu polypropylene (PP) có độ đàn hồi và cấu trúc bán tinh thể đáp ứng tốt năng lượng nhiệt nội tại sinh ra từ dao động cao tần.

Công nghệ hàn siêu âm hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi nguồn điện xoay chiều tần số lưới 50 Hz thành dòng điện dao động cao tần từ 15 kHz đến 40 kHz. Nguồn năng lượng điện này được cấp tới bộ biến năng (converter) làm bằng gốm áp điện nhằm chuyển đổi thành dao động cơ học cùng tần số. Biên độ sóng cơ học tiếp tục được khuếch đại qua thanh khuếch đại (booster) rồi truyền đến khuôn hàn (horn). Dưới tác động đồng thời của lực ép tiếp xúc và ứng suất ma sát nội phân tử dao động siêu âm, bề mặt lớp vải không dệt bị biến dạng dẻo cục bộ, các chuỗi đại phân tử khuếch tán thẩm thấu vào nhau hình thành mối liên kết cơ bền vững mà không cần bổ sung keo dán hay chỉ may.

Đồ án khảo sát và so sánh dữ liệu thông số kỹ thuật của hai dây chuyền thương mại nhập khẩu trên thị trường:

Thông số kỹ thuật Dây chuyền LEADER Dây chuyền ONL-XB700
Năng suất làm việc 50 - 100 túi/phút 50 - 100 túi/phút
Chiều dài túi 23 - 50 cm 20 - 58 cm
Chiều cao / Chiều rộng Chiều cao 18 - 45 cm Chiều rộng 10 - 80 cm
Chiều dài tay quai 37 - 52 cm 37 - 60 cm
Định lượng vải 60 - 120 g/m² (túi có quai); 80 - 120 g/m² (túi cơ bản) 60 - 120 GSM (túi có quai); 35 - 100 GSM (túi cơ bản)
Tổng công suất tiêu thụ 28 kW 18 kW
Điện áp và nguồn khí 380 V, 50 Hz 220 V, 50 Hz; khí nén 1,2 m³/phút (1,0 MPa)

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm phương pháp khảo sát thực tiễn để thu thập dữ liệu về dây chuyền công nghiệp; phương pháp phân tích - tính toán cơ học để xác định động học, động lực học của hệ thống dẫn động cơ khí; và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - chế tạo mô hình thực tế để tiến hành gia công chi tiết, lắp ráp, lập trình điều khiển và vận hành thử nghiệm nhằm hiệu chỉnh sai số.

Thiết kế và triển khai hệ thống cơ khí - tự động hóa

Dây chuyền được tổ hợp từ 5 cụm chức năng nối tiếp nhau trong một hệ thống cơ điện tích hợp:

[Cụm 1: Cấp cuộn & Sàng biên]
[Cụm 2: Gấp mép & Hàn ngang]
[Cụm 3: Bẻ góc 90° & Gấp đôi]
[Cụm 4: Căng vải & Kéo liên tục]
[Cụm 5: Đột quai, Hàn dọc, Cắt đứt]
    (Túi thành phẩm)
  1. Cụm 1 (Cấp cuộn nguyên liệu và sàng đường đi): Gồm trục cấp phôi giãn nở bằng khí nén giúp gá đặt cuộn vải nhanh chóng, cơ cấu chống quay tự do theo quán tính bằng xylanh khí nén ép con lăn ma sát lên bề mặt cuộn phôi, và bộ sàng biên tự động sử dụng trục vít me đai ốc bi dẫn động bởi động cơ bước model 110TDY060 nhằm giữ đường đi của mép vải luôn thẳng hàng.
  2. Cụm 2 (Gấp mép miệng túi và hàn biên ngang): Bao gồm cơ cấu con lăn gấp mép kết hợp thanh dẫn hướng định hình, bộ con lăn phát sóng hàn siêu âm biên ngang liên tục, và bộ kéo vải trung gian sử dụng cặp con lăn bọc cao su truyền động bằng bộ truyền xích nối với động cơ giảm tốc NCH28.
  3. Cụm 3 (Bẻ góc và gấp thân vải): Sử dụng thanh dẫn tròn bẻ góc 90 độ định hướng thân vải gập đôi, con lăn định hình bánh ú ép nếp gấp đáy túi, cùng hệ thống bộ sàng biên thứ hai dẫn động bằng cơ cấu vít me đai ốc bi và động cơ 110TDY060 để bù trừ độ lệch góc chạy của phôi sau khi uốn gập.
  4. Cụm 4 (Căng chỉnh và kéo phôi liên tục): Sử dụng cơ cấu thanh căng vải tích hợp xylanh khí nén kết hợp cảm biến biến trở góc nhằm phát hiện độ chùng phôi và ổn định lực căng bề mặt; cụm kéo vải chính gồm các trục phủ cao su và trục tạo gân trái khế được dẫn động bởi bộ truyền đai thang qua động cơ model ZTY130-1 và động cơ NCH32.
  5. Cụm 5 (Đột lỗ quai, hàn biên dọc và cắt hoàn thiện): Hoạt động theo chu kỳ ngắt quãng gồm cụm xylanh đột dập lỗ quai xách; hệ thống kéo vải chính xác sử dụng động cơ bước công suất cao model 130BIG350 dẫn động bộ truyền đai răng định vị từng bước di chuyển; bộ thanh hàn siêu âm biên dọc kết hợp điện trở gia nhiệt; cụm dao cắt phẳng cắt đứt túi thành phẩm được dẫn động tịnh tiến lên xuống thông qua cơ cấu cam cần đẩy con lăn chính tâm liên kết trục truyền động của động cơ giảm tốc.

Hệ thống điều khiển điện được tổ chức trên nền tảng vi điều khiển phối hợp mạch cảm biến quang điện nhận diện mép vải, van điện từ khí nén đóng mở xylanh và các bộ điều khiển công suất động cơ bước. Giải thuật điều khiển chia làm hai vòng lặp: vòng giải thuật sàng mép liên tục tiếp nhận tín hiệu sai lệch vị trí mép vải để phát lệnh quay thuận/nghịch cho động cơ vít me bi; và vòng giải thuật điều khiển toàn dây chuyền đồng bộ hóa tín hiệu dừng cấp phôi của động cơ bước 130BIG350 tại thời điểm cụm 5 dập khuôn hàn, đột quai và hạ dao cắt thành phẩm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về thực trạng rác thải bao bì toàn cầu với quy mô giá trị toàn ngành bao bì thế giới đạt 424 tỷ USD (Châu Âu 127 tỷ USD chiếm 30%, Bắc Mỹ 118 tỷ USD chiếm 28%, Châu Á 114 tỷ USD chiếm 27%). Phân tích cơ cấu vật liệu chỉ ra giấy chiếm 36%, nhựa chiếm 34%, kim loại 17% và thủy tinh 10%. Tác giả phân tích cấu tạo, chủng loại túi vải không dệt phổ biến (túi ép nhiệt cơ bản, túi vải bố, túi hộp quai xách, túi in chuyển nhiệt) và thông số kỹ thuật của vải sợi tổng hợp theo tiêu chuẩn ASTM/DIN/BS. Đồng thời, chương giới thiệu bản chất vật lý của công nghệ hàn siêu âm, so sánh ưu nhược điểm so với hàn nhiệt thông thường, trình bày khả năng đáp ứng hàn siêu âm của từng nhóm nhựa nhiệt dẻo theo Bảng 1.2 và khẳng định tính cấp thiết, mục tiêu cùng 5 nhiệm vụ trọng tâm của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tổng thuật các dây chuyền chế tạo túi tự động tiên tiến trên thế giới thông qua dữ liệu thông số kỹ thuật chi tiết của hai dòng máy Leader và ONL-XB700. Tác giả phân tích ý nghĩa khoa học và thực tiễn của việc nội địa hóa máy sản xuất túi vải; xác định đối tượng nghiên cứu là kết cấu cơ khí và quy trình công nghệ hàn siêu âm; khoanh vùng phạm vi thực hiện trong 4 tháng với các chỉ tiêu định lượng: độ bền kéo dán cạnh ≥ 80 N/50mm, sai lệch miệng thân túi ≤ 1 mm. Phương pháp luận dựa trên sự kết hợp giữa khảo sát công nghệ thực tiễn, tính toán thiết kế kỹ thuật và chế tạo mô hình thực nghiệm.

Chương 3: Ý tưởng và giải pháp thiết kế

Chương 3 so sánh ba cấp độ giải pháp công nghệ: dây chuyền thủ công, bán tự động và tự động hoàn toàn:

Tiêu chí Dây chuyền thủ công Dây chuyền bán tự động Dây chuyền tự động
Năng suất Rất thấp, tốn thời gian Trung bình Rất cao, tăng gấp nhiều lần
Chi phí nhân công Tốn nhiều nhân công Còn phụ thuộc nhân công Tiết kiệm nhân công tối đa
Độ đồng nhất sản phẩm Sai lệch cao, phụ thuộc tay nghề Độ chính xác chưa đồng đều Đồng nhất về kích thước, chất lượng
Chi phí đầu tư ban đầu Thấp Trung bình Tương đối cao

Tác giả phân kỳ hệ thống thành 5 cụm và xây dựng ma trận đánh giá lựa chọn cho từng cụm chức năng:

  • Giữ cuộn vải: Chọn phương án dùng trục phồng khí nén thay vì côn kẹp cơ khí hoặc tăng đưa nhờ khả năng thao tác gá đặt nhanh và định tâm chắc chắn.
  • Hãm quán tính cuộn: Chọn xylanh khí nén mang con lăn ép lên bề mặt cuộn phôi thay cho thắng từ nhằm tối ưu hóa chi phí chế tạo mà vẫn đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật.
  • Bộ sàng biên: Lựa chọn cơ cấu vít me đai ốc bi thay cho vít me thường hoặc thanh răng - bánh răng vì hiệu suất truyền động cao, ma sát thấp, khử được độ rơ tiếp xúc và đảm bảo độ chính xác định vị lâu dài.
  • Gấp mép miệng: Chọn tổ hợp con lăn góc lệch kết hợp thanh dẫn hướng chuyên dụng tạo nếp gấp sắc nét.

Chương 4: Tính toán – thiết kế dây chuyền sản xuất túi vải thân thiện với môi trường

Chương 4 là phần tính toán kỹ thuật trọng tâm của đồ án, thiết lập các thông số cơ bản cho hệ thống: năng suất 45 túi/phút, công suất 4,75 kW, áp suất khí nén 6 - 8 bar. Nội dung tính toán chi tiết cho từng cụm:

  • Cụm 1: Xác định thông số trục vít me đai ốc bi bộ sàng, tính tỉ số truyền bộ truyền động, chọn động cơ bước 110TDY060 và tính toán thông số xylanh khí nén hãm cuộn.
  • Cụm 2: Tính toán bộ truyền xích kéo vải (tỉ số truyền, bước xích, số răng đĩa xích), chọn động cơ giảm tốc NCH28, kiểm nghiệm độ bền mỏi của trục chịu xoắn uốn phối hợp.
  • Cụm 3: Tính toán động cơ 110TDY060 và trục vít me bi dẫn động khung trượt bộ sàng biên thứ hai; tính toán lực ép định hình của cụm con lăn bánh ú.
  • Cụm 4: Tính toán xylanh khí nén và góc xoay biến trở điều chỉnh lực căng phôi; xác định tỉ số truyền và ứng suất dây đai thang truyền động; chọn động cơ ZTY130-1 và động cơ NCH32; kiểm nghiệm độ bền mỏi trục kéo phủ cao su.
  • Cụm 5: Tính toán lựa chọn động cơ bước model 130BIG350 dẫn động kéo ngắt quãng bộ truyền đai răng; tính toán động lực học cơ cấu cam phẳng cần đẩy đáy con lăn chính tâm (xây dựng quy luật động học gia tốc cam, đồ thị vận tốc - hành trình, đồ thị quan hệ chuyển vị $S$ và góc xoay $\varphi$, xác định miền tâm cam và biên dạng cam tiếp xúc con lăn ở hai trạng thái chịu tải); xác định lực cắt và lực đột lỗ của hệ thống xylanh.

Chương 5: Chế tạo các chi tiết của máy

Chương 5 lập tài liệu công nghệ chế tạo cơ khí bao gồm bản vẽ 2D, mô hình kết cấu 3D và bảng thông số chế độ cắt gọt (vận tốc cắt $V$, lượng chạy dao $S$, chiều sâu cắt $t$, số vòng quay trục chính $n$) khi gia công các chi tiết chính:

  • Khung trượt và khung thân máy cụm 1, tấm vách cụm 1.
  • Cơ cấu tay tháo kẹp nhanh, mặt bích định vị động cơ điện.
  • Ống con lăn dẫn hướng, ống thép con lăn và con trượt trục trơn.
  • Vách khung cụm kéo và khung trượt mang bạc lót.
  • Trục cao su kéo phôi (gia công tiện ren hai đầu rồi bọc lưu hóa cao su).
  • Bộ gá khuôn hàn siêu âm biên ngang và cơ cấu dưỡng gấp mép.
  • Chi tiết con lăn định hình bánh ú và đế bắt con lăn dẫn hướng.
  • Trục lăn tạo gân trái khế và mặt bích liên kết con lăn trái khế.

Chương 6: Chế tạo thực nghiệm

Chương 6 trình bày các bước chế tạo thực tế, gia công kết cấu khung bệ bằng thép định hình, xử lý bề mặt bằng công nghệ sơn tĩnh điện và lắp ráp hoàn thiện cơ học tại xưởng:

  • Lắp ráp đế khung, gối đỡ ổ lăn, trục cấp vải khí nén và bộ sàng mép cụm 1.
  • Lắp ghép tấm vách, trục cao su, bộ khóa nhanh và hệ thống hàn siêu âm biên ngang cụm 2.
  • Lắp đặt cụm con lăn bánh ú, hệ thống con lăn trung gian và bộ sàng biên cụm 3.
  • Lắp đặt kết cấu khung kéo, trục cao su, cặp trục trái khế, bộ căng chỉnh xylanh - biến trở cụm 4.
  • Lắp hoàn thiện bộ khung cụm 5, gá đặt xylanh đột lỗ, cụm dao cắt thẳng và thanh hàn siêu âm dọc.

Chương 7: Thiết kế mạch điện cho máy

Chương 7 trình bày thiết kế tổng quan hệ thống cung cấp điện động lực và điều khiển:

  • Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch điện sơ bộ tích hợp nguồn xoay chiều, bộ nguồn một chiều cấp cho vi điều khiển, các bộ điều khiển động cơ bước và rơ-le trung gian.
  • Thiết lập lưu đồ thuật toán điều khiển bộ sàng mép vải tự động: nhận tín hiệu cảm biến quang, xử lý sai lệch ngưỡng, phát xung điều khiển động cơ bước vít me kéo khung sang trái hoặc sang phải để hiệu chỉnh mép vải.
  • Thiết lập lưu đồ thuật toán điều khiển phối hợp toàn hệ thống: khởi động mềm, đồng bộ tốc độ cấp phôi của cụm 2 - 4 với chu kỳ dừng kéo chính xác của động cơ bước 130BIG350 tại cụm 5 để đồng thời thực hiện thao tác hàn, đột quai và cắt đứt túi.

Chương 8: Bảo trì – bảo dưỡng máy

Chương 8 phân loại hình thức bảo trì định kỳ và phòng ngừa cho toàn bộ dây chuyền cơ điện; tổng hợp các dạng hư hỏng tiềm ẩn, nguyên nhân và biện pháp khắc phục kỹ thuật cho từng cụm:

  • Cụm 1: Sự cố kẹp cuộn, trượt vít me sàng biên, mất áp khí nén trục giữ cuộn.
  • Cụm 2: Lệch nếp gấp mép, mòn con lăn kéo cao su, hỏng tiếp xúc máy phát siêu âm.
  • Cụm 3: Kẹt phôi tại góc bẻ 90 độ, sai lệch tâm con lăn bánh ú, rơ lỏng gối trượt.
  • Cụm 4: Trượt đai thang, giãn phôi do áp suất xylanh căng vải không ổn định.
  • Cụm 5: Rách mép đột quai, mối hàn dọc không ngấu hoặc cháy vải, dao cắt cùn gây xơ sợi biên cắt.
  • Xây dựng bảng quy trình chuẩn đoán lỗi trên sản phẩm túi (nhăn đường dán, mép túi lệch, đường hàn đứt quãng) và phương pháp cân chỉnh cơ khí tương ứng.

Chương 9: Đánh giá dây chuyền sản xuất túi vải thân thiện với môi trường

Chương cuối tổng kết và đánh giá toàn diện các chỉ tiêu kỹ thuật thực nghiệm:

  • Khả năng làm việc: Dây chuyền vận hành êm ái, chu kỳ cắt hàn nhịp nhàng, đạt thông số năng suất thiết kế 45 túi/phút.
  • Khả năng chế tạo và lắp ráp: Hầu hết chi tiết cơ khí kết cấu sử dụng vật liệu tiêu chuẩn dễ gia công tại các xưởng cơ khí trong nước; tháo lắp và thay thế cụm module thuận tiện.
  • Độ tin cậy và an toàn: Hệ thống cơ cấu khí nén đóng mở chắc chắn, cảm biến nhận diện chính xác, bảo vệ chống quá tải tốt.
  • Hiệu quả môi trường và kinh tế: Tạo ra dòng sản phẩm túi tự hủy thay thế túi nylon; chi phí chế tạo dây chuyền thấp hơn nhiều so với việc nhập khẩu máy Leader hay ONL-XB700 từ nước ngoài.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành việc thiết kế, tính toán và chế tạo thành công mô hình dây chuyền sản xuất túi vải không dệt tự động ứng dụng công nghệ hàn siêu âm. Các chỉ tiêu kỹ thuật thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình thực tế đạt kết quả như sau:

Thông số kỹ thuật Yêu cầu thiết kế Kết quả thực nghiệm đạt được
Năng suất làm việc 45 túi/phút Đạt 45 túi/phút
Tổng công suất tiêu thụ 4,75 kW 4,75 kW
Áp suất khí nén làm việc 6 - 8 bar 6 - 8 bar
Độ lệch miệng thân túi $\le 1$ mm $\le 1$ mm
Độ bền kéo đứt đường dán cạnh $\ge 80$ N/50mm $\ge 80$ N/50mm
Chất lượng đường hàn Thẳng, ngấu chắc, không cháy vải Mối hàn liên kết ngấu đều, mép cắt phẳng gọn

Tác giả đề xuất các giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng thực tế:

  • Kết hợp đồng bộ giữa chế độ cấp kéo phôi liên tục (tại Cụm 1 đến Cụm 4) và chế độ cấp phôi ngắt quãng chính xác bằng động cơ bước kết hợp bộ truyền đai răng (tại Cụm 5) nhờ cơ cấu bù chùng phôi bằng xylanh khí nén tích hợp biến trở đo góc.
  • Sử dụng cơ cấu cam phẳng cần đẩy đáy con lăn chính tâm để biến chuyển động quay của động cơ giảm tốc thành chuyển động thẳng tịnh tiến khứ hồi cho cụm dao cắt và thanh dập hàn nhiệt dọc, giúp kết cấu cơ khí đạt độ bền cao và giảm thiểu xung lực quán tính.
  • Tự động hóa quá trình canh biên phôi vải bằng hệ thống sàng sử dụng trục vít me đai ốc bi kết hợp cảm biến quang học, duy trì sai số thẳng hàng của mép vải dưới 1 mm trong suốt chu trình chạy vải.

Đóng góp khoa học và thực tiễn tự khẳng định của đồ án là đã hoàn thiện trọn vẹn quy trình tính toán động học, động lực học và quy trình công nghệ chế tạo cơ khí cho một dây chuyền tự động hóa phức tạp trong nước. Sản phẩm nghiên cứu mở ra giải pháp giảm chi phí đầu tư thiết bị máy móc cho các doanh nghiệp đóng gói trong nước nhờ việc tự chủ công nghệ sản xuất dây chuyền thay vì phải nhập ngoại nguyên chiếc với chi phí đắt đỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án gắn liền với khung thời gian và điều kiện thực nghiệm:

  • Đề tài thực hiện trong thời gian giới hạn 4 tháng, quá trình gia công chi tiết cơ khí và căn chỉnh hệ thống tại xưởng thực tập đòi hỏi phải tinh chỉnh liên tục các khớp động và đồ gá để đạt độ đồng tâm.
  • Dây chuyền mới chỉ tập trung xử lý tự động hóa công đoạn dán thân túi, tạo hình và đột lỗ quai cơ bản; công đoạn cấp và hàn tự động quai xách rời (dạng quai móc độc lập như các dòng máy cao cấp ONL-XB700) chưa được tích hợp hoàn chỉnh trong cùng một chu trình khép kín.
  • Chất lượng mối hàn siêu âm đòi hỏi việc kiểm soát khắt khe bề mặt vật liệu và ổn định điện áp nguồn dao động cao tần; khi thay đổi định lượng hoặc chủng loại vải có độ dày khác nhau, cần phải tiến hành thiết lập lại lực nén lò xo và khoảng cách khe hở khuôn hàn (horn).

Hướng nghiên cứu tiếp theo được nhóm tác giả đề xuất:

  • Nâng cấp hệ thống điều khiển tự động toàn diện bằng bộ điều khiển logic khả trình (PLC) công nghiệp kết hợp màn hình giao diện cảm ứng HMI nhằm nâng cao khả năng chống nhiễu và cho phép người vận hành tùy biến kích thước túi linh hoạt trên giao diện số.
  • Thiết kế tích hợp thêm module cấp phôi và hàn quai xách tự động đồng bộ vào Cụm 5 để sản xuất đa dạng các mẫu túi có quai vòng xách tay mà không cần công đoạn hàn quai thủ công phụ trợ.
  • Tối ưu hóa kết cấu cơ khí, giảm khối lượng khung bệ và nâng cao tốc độ chu kỳ cắt hàn để nâng năng suất dây chuyền lên dải 60 - 80 túi/phút tương đương các dây chuyền nhập khẩu.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn đối với sinh viên và cán bộ giảng dạy thuộc các chuyên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí và Tự động hóa. Nội dung đồ án cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết cho các đề tài tốt nghiệp hoặc dự án nghiên cứu liên quan đến máy đóng gói tự động, thiết bị định hình sản phẩm màng mỏng và ứng dụng dao động siêu âm trong kỹ thuật ghép nối vật liệu phi kim.

Các phần nội dung đáng tham khảo chuyên sâu bao gồm:

  • Phương pháp luận phân tích, đánh giá ma trận ý tưởng và lựa chọn giải pháp kết cấu cơ cấu chấp hành trong Chương 3.
  • Toàn bộ chuỗi tính toán động học, động lực học cơ khí trong Chương 4, đặc biệt là quy trình tính toán thiết kế biên dạng cam phẳng cần đẩy con lăn chính tâm và bài toán kiểm nghiệm độ bền mỏi cho hệ trục truyền động chịu tải phức tạp.
  • Tập hợp các bản vẽ kết cấu chi tiết cơ khí và chế độ cắt gọt trong Chương 5 phục vụ công tác chế tạo thực tế tại xưởng.
  • Bảng tổng hợp chẩn đoán sự cố, nguyên nhân và biện pháp khắc phục các lỗi kỹ thuật thường gặp trên hệ thống máy sản xuất bao bì trong Chương 8.

Câu hỏi thường gặp

1. Các thông số vận hành cơ bản được thiết lập cho dây chuyền sản xuất túi vải trong đồ án là gì?
Dây chuyền được tính toán thiết kế và chế tạo thực nghiệm đạt năng suất làm việc 45 túi/phút, tổng công suất tiêu thụ điện 4,75 kW, sử dụng nguồn khí nén áp lực từ 6 đến 8 bar. Chất lượng đường dán thân túi đạt độ bền kéo đứt ≥ 80 N/50mm và độ lệch mép miệng hai bên thân túi được kiểm soát không vượt quá ≤ 1 mm.

2. Công nghệ hàn siêu âm trên dây chuyền vận hành theo nguyên lý nào và vì sao được chọn thay thế may thủ công?
Máy phát siêu âm tiếp nhận nguồn điện 50 Hz và chuyển thành tần số cao từ 15 đến 40 kHz, truyền qua bộ chuyển đổi gốm áp điện, thanh khuếch đại (booster) và khuôn hàn (horn) để tạo ra dao động cơ học cao tần ép lên lớp vải. Dưới tác dụng của ma sát nội phân tử và lực nén, vật liệu nóng chảy cục bộ và thẩm thấu liên kết với nhau trong thời gian chưa tới 1 giây cho đường hàn 0,4 m (thay vì mất 10 đến 15 giây nếu may thủ công). Phương pháp này giúp loại bỏ chỉ may, tiết kiệm nhân công, không bị bong cháy và cho năng suất tăng lên gấp nhiều lần.

3. Cơ cấu nào trong Cụm 5 giải quyết mâu thuẫn giữa việc phôi vải được cấp liên tục từ các cụm trước nhưng cần phải dừng lại ngắt quãng để hàn và cắt?
Tại Cụm 5, nhóm tác giả bố trí cụm kéo phôi sử dụng động cơ bước model 130BIG350 dẫn động bộ truyền đai răng, cho phép kéo phôi chính xác theo từng bước rồi dừng lại tức thời trong khoảng thời gian xác định để xylanh đột quai dập lỗ, thanh siêu âm hàn mép và cụm dao cắt phẳng thực hiện hành trình cắt đứt. Lượng vải dư cấp liên tục từ Cụm 4 trong thời điểm Cụm 5 dừng được tích trữ tạm thời thông qua cơ cấu đòn bẩy căng vải sử dụng xylanh khí nén kết hợp cảm biến biến trở xoay.

4. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn cơ cấu vít me đai ốc bi thay vì thanh răng hay vít me ren thường cho bộ phận sàng mép vải?
Theo phân tích đánh giá tại Chương 3, bộ phận sàng biên nguyên liệu phải hoạt động đảo chiều liên tục với tần suất cao và đòi hỏi phản ứng nhanh để giữ mép phôi luôn thẳng hàng. Trục vít me đai ốc bi có hệ số ma sát lăn rất nhỏ, hiệu suất truyền động cao, khử được triệt để độ rơ tiếp xúc và lực cản ban đầu, từ đó duy trì độ chính xác định vị lâu dài và không bị mài mòn nhanh như trục vít me ren thường hay cơ cấu thanh răng - bánh răng.

5. Cơ cấu dẫn động chuyển động tịnh tiến lên xuống của cụm dao cắt và thanh dập tại Cụm 5 được thiết kế như thế nào?
Chuyển động tịnh tiến khứ hồi của cụm dao cắt được thực hiện thông qua cơ cấu cam phẳng cần đẩy đáy con lăn chính tâm liên kết với trục ra của động cơ giảm tốc. Tác giả đã tiến hành tính toán động học quy luật gia tốc của cần đẩy, vẽ đồ thị vận tốc - hành trình, xác định miền tâm cam và biên dạng cam hình học chính xác để đảm bảo chuyển động của lưỡi dao cắt dứt khoát, êm dịu, không bị va đập quán tính và đạt lực cắt tối ưu.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu thiết kế chế tạo dây chuyền sản xuất túi vải thân thiện với môi trường" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra về mặt lý thuyết, tính toán thiết kế và chế tạo thực nghiệm hệ thống cơ điện tự động hoàn chỉnh. Dây chuyền tích hợp thành công công nghệ hàn sóng siêu âm liên tục và ngắt quãng, đạt năng suất kiểm chứng 45 túi/phút với mức tiêu thụ điện năng 4,75 kW, tạo ra các sản phẩm túi vải không dệt có chất lượng đường dán ngấu chắc và độ chính xác kích thước đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Công trình là tài liệu học thuật và kỹ thuật cơ khí có giá trị tham khảo cao, chứng minh năng lực làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo dây chuyền sản xuất bao bì tự động phục vụ nhu cầu phát triển công nghiệp xanh và bảo vệ môi trường.