Báo cáo Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, Chế tạo máy đong gạo bán tự động - ĐH Công nghệ TP.HCM

Đồ án thiết kế máy đong gạo bán tự động đầy đủ nhất. Trình bày chi tiết từ tính toán cơ khí, sơ đồ mạch điện đến giải thuật và kết quả.

• Tác giả: Phạm Thế Ngọc
• Người hướng dẫn: Th.S Phạm Uyên Phương
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Máy Đong Gạo Bán Tự Động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Thiết Kế Máy Đong Gạo Bán Tự Động

Máy đong gạo bán tự động là một thiết bị công nghiệp quan trọng trong lĩnh vực chế biến và đóng gói nông sản. Đồ án này được thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh, tập trung vào thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển hiện đại. Máy được thiết kế để tự động cân định lượng và đóng gói gạo với độ chính xác cao, tiết kiệm thời gian và nhân công. Công nghệ bán tự động cho phép người vận hành kiểm soát quy trình, đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng. Dự án này kết hợp nhiều lĩnh vực khoa học: cơ khí, điện tử, tự động hóa và xử lý tín hiệu. Mục tiêu chính là phát triển một giải pháp tiết kiệm chi phí mà vẫn đảm bảo hiệu suất cao, phù hợp với nhu cầu của các doanh nghiệp nhỏ và vừa.

1.1. Mục Tiêu và Ý Nghĩa Của Đồ Án

Mục tiêu chính của đồ án thiết kế máy đong gạo bán tự động là phát triển một thiết bị hiệu quả, chính xác và kinh tế. Máy cần đạt được độ chính xác trong cân định lượng từ 4,8kg đến 5,2kg, giúp giảm lãng phí sản phẩm. Ý nghĩa của dự án bao gồm cải thiện năng suất sản xuất, giảm chi phí nhân công và nâng cao chất lượng sản phẩm đóng gói. Máy còn giúp các doanh nghiệp nông sản tự động hóa quy trình, tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

1.2. Các Loại Máy Đong Gạo Trên Thị Trường

Trên thị trường hiện tại, có ba loại máy đóng gói gạo chính: máy An Thành với công suất 1000 bao/8h, máy công ty Cơ khí chế tạo máy miền Nam có khả năng định lượng tự động, và máy hút chân không 2 buồng với công nghệ hiện đại. Mỗi loại máy có ưu và nhược điểm khác nhau về giá thành, hiệu suất, độ chính xác và bảo trì. Dự án tập trung vào tối ưu hóa chi phí mà vẫn duy trì chất lượng cao.

II. Thiết Kế Cơ Khí Hệ Thống Máy Đong Gạo

Thiết kế cơ khí là nền tảng của máy đong gạo bán tự động, bao gồm nhiều thành phần chính như trục vitme, thanh ray trượt, gối đỡ vòng bi và các phễu chứa. Mỗi linh kiện được lựa chọn và tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo độ bền, ổn định và hiệu suất của toàn bộ hệ thống. Trục vitme đai ốc bi là linh kiện quan trọng nhất, chịu trách nhiệm chuyển chuyển động quay thành chuyển động tuyến tính. Thanh ray trượt hỗ trợ chuyển động mượt mà và chính xác. Các tính toán về lựa chọn vật liệu, kích thước và thông số kỹ thuật được thực hiện dựa trên lý thuyết cơ học kỹ thuật và tiêu chuẩn ngành.

2.1. Hệ Thống Trục Vitme và Ray Trượt

Trục vitme me đai ốc bi chịu trách nhiệm chuyển đổi chuyển động quay thành tuyến tính với độ chính xác cao. Được thiết kế với đường kính trung bình 16mm và bước 5mm, trục vitme có khả năng chịu lực nén 1200N. Thanh ray trượt vuông được chọn để hỗ trợ các bộ phận chuyển động, đảm bảo sự mượt mà và độ bền. Gối đỡ vòng bi 8mm được lắp đặt để giảm ma sát và mòn mỏi, kéo dài tuổi thọ máy.

2.2. Các Cụm Chính và Phễu Chứa

Máy bao gồm bốn cụm chính: cụm thay đổi vị trí bao, cụm chặn gạo, cụm đẩy phễu chuyển gạo và cụm ép nhiệt. Mỗi cụm được thiết kế độc lập nhưng hoạt động liên kết chặt chẽ. Phễu đựng gạo có dung tích 50kg, phễu chuyển gạo được thiết kế theo nguyên lý vật lý chất rắp hạt để đảm bảo định lượng chính xác. Phễu đầu ra được thiết kế dễ vệ sinh, tháo lắp.

III. Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Điện Tử

Hệ thống điều khiển điện tử là "bộ não" của máy đong gạo bán tự động, điều phối toàn bộ hoạt động của các cơ cấu cơ khí. Hệ thống sử dụng Arduino Uno R3 ATmega328 làm bộ điều khiển chính, kết hợp với động cơ bước (stepper motor) để điều khiển chuyển động chính xác. Loadcell được lắp đặt để cân định lượng gạo, với độ chính xác ±5g. Mạch chuyển đổi ADC 24-bit xử lý tín hiệu từ loadcell, gửi dữ liệu đến Arduino với độ phân giải cao. Các nút nhấn điều khiển cho phép người vận hành dễ dàng thao tác, trong khi nguồn điện 5V/3A cung cấp năng lượng ổn định cho toàn bộ hệ thống.

3.1. Bộ Điều Khiển Và Cảm Biến

Arduino Uno R3 được chọn do tính linh hoạt, dễ lập trình và chi phí thấp. Bộ vi điều khiển có 14 chân I/O digital và 6 chân ADC phù hợp với yêu cầu của dự án. Loadcell dạng thanh (beam type) được sử dụng để cân định lượng, kết nối với mạch chuyển đổi ADC HX711 để xử lý tín hiệu. Độ chính xác của hệ thống cân đạt ±5 gram, đủ để kiểm soát chất lượng đóng gói.

3.2. Động Cơ Và Mạch Điều Khiển

Động cơ bước NEMA17 được lựa chọn để điều khiển các cơ cấu chính như vitme, trục chặn gạo và hệ thống ép nhiệt. Mạch điều khiển A4988 cho phép kiểm soát tốc độ và hướng quay của động cơ với độ chính xác cao. Nguồn xung ba điện áp cung cấp 5V/3A, 12V/1A, -12V/0,5A để nuôi động cơ và các linh kiện điện tử. Nút nhấn phổ biến được tích hợp để dễ điều khiển thủ công.

IV. Giải Thuật Điều Khiển và Kết Quả Thực Nghiệm

Giải thuật điều khiển được lập trình để điều phối toàn bộ quy trình đóng gói gạo tự động. Quy trình bắt đầu với việc kích hoạt phễu chứa gạo để hạt gạo rơi vào phễu định lượng, sau đó loadcell đo lường khối lượng theo thời gian thực. Khi đạt đến khối lượng mục tiêu (5kg), hệ thống tự động ngừng cấp gạo và kích hoạt bộ phận chặn. Sau đó, bao được đẩy vào vị trí ép nhiệt, nơi hai miếng heatband ở nhiệt độ 180°C sẽ dán chặt miệng bao trong 2 giây. Quy trình được lặp lại tự động cho từng bao gạo. Kết quả thực nghiệm cho thấy máy đạt được độ chính xác 99.5% và năng suất 300-400 bao/8 giờ, vượt lên trên các máy có giá thành thấp trên thị trường.

4.1. Nguyên Lý Hoạt Động Quy Trình

Quy trình đóng gói gồm 5 bước chính: (1) Kích hoạt cấp gạo - phễu chính mở, gạo rơi vào phễu định lượng; (2) Cân định lượng - loadcell đo lường liên tục, Arduino điều khiển vitme để điều chỉnh lượng gạo; (3) Chặn gạo - khi đạt 5kg, hệ thống tắt phễu, kích hoạt chặn; (4) Đẩy bao vào vị trí ép - bao được đẩy bằng vitme; (5) Ép nhiệt và hoàn thành - heatband dán chặt miệng bao trong 2 giây.

4.2. Hướng Phát Triển Và Cải Tiến Tương Lai

Trong tương lai, dự án có thể nâng cấp hệ thống cảm biến để phát hiện sai sót trong quy trình, tích hợp camera nhận diện để kiểm chất lượng bao bì. Kết nối Internet of Things (IoT) sẽ cho phép giám sát từ xa, thu thập dữ liệu sản xuất để tối ưu hóa. Sử dụng động cơ servo thay cho động cơ bước có thể tăng tốc độ lên 500-600 bao/8 giờ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐONG GẠO Tổng quan về các máy đong gạo ngoài thị trường 1.1 Máy đóng gói gạo An Thành Hình 1.1: Máy đóng gói gạo An Thành (Nguồn: Internet) Hệ thống kiểm soát định lượng độc lập được lắp đặt gia công bằng CNC cho khả năng định lượng sản phẩm có độ chính xác cao. Linh kiện lắp ráp từ các thương hiệu nổi tiếng của Đức và Đài Loan, công suất lên đến 1.8kW/h, hiệu suất chuyển đổi tốc độ cao, thiết kế máy cấp liệu 2 phần rung cho tốc độ đóng gói nhanh, đạt hiệu suất cao. 1 Hệ thống kiểm soát PLC Delta khoa học kết hơp biến tần ABM giúp máy hoạt động nhịp nhàng và ổn định, giảm thiểu tỷ lệ hàng lỗi. Máy tự động dừng khi hết bao, dây đếm hay có sự cố.

Hệ thống điều khiển cảm ứng, đồng hồ hiển thị dạng số giúp thao tác rất đơn giản, không tốn nhiều thời gian. Toàn bộ phần tiếp xúc với nguyên liệu được làm bằng inox 304 không gỉ đảm bảo an toàn vệ sinh đạt chuẩn GMP, giúp người dùng vệ sinh, lau chùi.1 Thông số kỹ thuật Kiểu gói ép: Ép bụng giữa Kiểu vân ép: sọc thẳng tạo sóng Ép ngang: 12mm Ép dọc: 10mm Phương pháp định lượng: chén thể tích. Kiểu túi: ép bụng giữa hoặc 3-4 biên. Trọng lượng túi: 150g Nguyên liệu đóng gói: GẠO Tốc độ : 20 - 30 sp/p.

Công suất điện: 2 kw/h. Nguồn điện: 220v/50hz (D700 x R650 x C1900) Kích thước máy mm Trọng lượng máy: 600kg Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật của máy đóng gói gạo an thành 2 Hình 1.2: Kết cấu máy Máy đóng gói gạo An Thành (Nguồn: Chụp từ bản thiết kế của nhóm) 1.2 Máy đóng gói gạo Công ty Cơ khí chế tạo máy miền Nam Hình 1.3: Máy đóng gói gạo Công ty Cơ khí chế tạo máy miền Nam (Nguồn: Internet) 3 1.1 Máy đóng gói cân định lượng gạo Đây là dòng máy đóng gói dành cho các sản phẩm có khối lượng lớn như bao gạo, cà phê, lúa, bắp, phân bón với khối lượng từ 5kg đến 50kg. Quy trình hoạt động của máy là bán tự động bao gồm các bước sau chiết rót định lượng và may bao cho sản phẩm. Dòng máy này thích hợp với các loại hạt nông sản, phân bón, hóa chất, đường,… dùng phổ biến trong các cơ sở sản xuất quy mô vừ và nhỏ.2 Cấu tạo của Máy đóng gói dạng hạt định lượng 5kg Dòng máy này có cấu tạo đặc biệt gồm 2 bộ phận chính là bộ phận chiết rót và bộ phận may bao.

Máy chiết định lượng: máy được trong bị một phễu chứa có dung tích rất lớn thích hợp cho việc đóng gói các dòng nông sản với mức định lượng lớn. Máy có chức năng chiết rót định lượng có độ chính xác rất cao. Băng tải: máy đóng gói bao gạo được trang bị một băng tải lớn có khả năng chịu lực rất lớn, chịu được sức nặng lên đến 50kg. Băng tải này giúp chuyển các bao gạo từ vị trí chiết rót sang vị trí may miệng bao một cách nhanh chóng, tiết kiệm sức lao động.

Bộ phận may bao: các bao gạo sẽ được may một cách tự động, nhanh chóng chuẩn xác nhờ thiết bị may bao tự động náy.3 Kết cấu máy đóng gói dạng hạt định lượng 5kg Hình 1.4: Máy đóng gói dạng hạt định lượng 5kg (Nguồn: Chụp từ bản thiết kế của nhóm) 4 1.4 Thông số kĩ thuật của máy đóng gói,định lượng gạo tự động - Model máy: FVL-50A - Điện năng đầu vào: 220V/380V/50Hz - Công suất tiêu thụ điện năng: 1.5KW - Tốc độ đóng gói: 5 - 7 bao/phút ( tùy thuộc vào định lượng của bao) - Áp suất khí nén: 0.5Mpa - Chiều cao đóng gói cho phép: 600-1100mm - Khoảng trọng lượng: 1-5, 5-25, 25-50 kg/túi, tùy chỉnh theo nhu cầu - Kích thước máy: 3100x1200x3000mm - Trọng lượng máy: 600kg 1.5 Tính năng của máy đóng bao gạo Bộ điều khiển của máy hoạt động với độ chính xác cao, làm việc ổn định, có thể hiển thị các thông số như tổng trọng lượng, số lượng thành phẩm đã đóng gói, hoạt động dễ dàng tiện lợi. Có chế độ cảnh báo lỗi tự động, giúp người vận hành kịp thời xử lí tránh tình trạng máy bị hư hại nghiêm trọng hơn. Phạm vi đóng gói rộng, độ chính xác cao, nó có thể kết hợp tốt với băng tải và máy may. Sản phẩm sử dụng cảm biến nhập khẩu hiện đại, thiết bị khí nén truyền động, dễ dàng bảo trì và không gây ô nhiễm.

Vật liệu cấu tạo của máy đóng bao gạo là thép carbon, với sơn tĩnh điện. Một số bộ phận khác tiếp xúc trực tiếp với nguyên liệu được làm từ thép không gỉ, chống ăn mòn hiệu quả. Giao diện truyền thông có thể được cung cấp nếu có nhu cầu, thực hiện việc kết nối với dữ liệu máy tính một cách dễ dàng.3 Máy đóng gói gạo hút chân không 2 buồng Hình 1.5: Máy đóng gói gạo hút chân không 2 buồng (Nguồn: Internet) Máy đóng gói gạo hút chân không 2 buồng thường được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm, gia vị, các sản phẩm đậu nành, hóa chất, nguyên liệu thực phẩm, gạo, đậu và hạt khác. Sau khi đóng gói chân không, thực phẩm được chống oxy hóa, để đạt được mục đích bảo quản lâu dài.

Máy đóng gói gạo hút chân không 2 buồng là biện pháp hiệu quả nhất để bảo quản thực phẩm trong thời gian dài mà không cần dùng tới các loại hoá chất bảo quản vừa tốn kém và vừa gây hại cho sức khoẻ 1.1 Ứng dụng Sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực lương thực, thực phẩm, dược phẩm và các ngành công nghiệp khác với nguyên liệu là dạng hạt và sử dụng túi có sẵn. Máy đóng gói gạo hút chân không 2 buồng với công nghệ mới cho độ chân không tuyệt đối, hút sạch không khí trong bao bì nhanh chóng và đảm bảo an toàn 6 Hình 1.6: Sản phẩm của máy đong gạo hút chân không 2 buồng (Nguồn: Internet) 1.2 Các tính năng Máy đóng gói gạo hút chân không 2 buồng tự động cân, làm đầy túi, hàn miệng túi và hút chân không tự động. Thiết bị có khả năng làm tất cả những chức năng này trong cùng 1 máy Sử dụng PLC và giao diện cảm ứng độ tin cậy cao, thân thiện, dễ dàng hoạt động. Phần cảm biến trọng lượng hoạt động ổn định, độ chính xác cao và cụm điều khiển thông minh.

Các thành phần khí nén nhập khẩu, cấu trúc đơn giản, đáng tin cậy, dễ bảo trì Hai buồng hút làm việc luân phiên nhau cho năng suất cao đáp ứng nhu cầu đóng gói 7 1.3 Thông số kỹ thuật Mã Máy DCS-5Z2-II Phạm vi cân (kg) 1-5 Tốc độ (gói/h) ≥380 Độ ẩm ＜90% Nguồn điện AC380V ; 50HZ ; 2.5KW Khí nén 0.8Mpa ; 5𝑚3 /h Sai số X（0.2: Thông số kỹ thuật máy đong gạo hút chân không 2 buồn 1.4 Kết cấu của máy Hình 1.7: Kết cấu của máy đóng gói hút chân không 2 buồng (Nguồn: Chụp từ bản thiết kế của nhóm) 8 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH VÀ BỐ TRÍ Phác thảo sơ bộ máy Hình 2.1: Hình chiếu đứng và hình chiếu cạnh (Nguồn: Chụp từ bản thiết kế của nhóm) Trong đó: (1) Cụm thay đổi vị trí bao (2) Cụm chặn gạo (3) Cụm đẩy phểu chuyển gạo (4) Cụm ép nhiệt 9 2.1 Cụm thay đổi vị trí bao Vị trí: cụm được bố trí ở dưới cùng ngay trên tấm lót đệm, đặt ngay dưới cụm ép nhiệt và thẳng hàng với miệng dưới của phễu ra gạo. Chức năng: đảm nhận nhiệm vụ đưa bao bì rỗng vào vị trí ngay dưới miệng phễu ra gạo và đưa sản phẩm trở lại sau khi đã được cụm ép nhiệt hàn miệng túi.2: Hình chiếu đứng cụm đẩy bao (Nguồn: Chụp từ bản thiết kế của nhóm) Hình 2.3: Hình chiếu cạnh cụm đẩy bao (Nguồn: Chụp từ bản thiết kế của nhóm) 2.2 Cụm chặn gạo Vị trí: được bố trí trong thùng máy, đặt ngay bên cạnh miệng dưới của phễu đựng gạo. Chức năng: đảm nhận nhiệm vụ mở và chặn gạo chảy xuống từ bên trên phễu đựng gạo. Sau khi cụm thay đổi bị trí bao đưa bao đến vị trí ngay dưới phễu ra, cụm chặn gạo sẽ di chuyển tấm part chặn gạo mở ra để gạo chảy xuống.

Khi nhận tín hiệu đủ khối lượng từ loadcell, cụm sẽ hoạt động đẩy tấm part chặn gạo trở lại ngăn không cho gạo chảy xuống.4: Hình chiếu đứng cụm chặn gạo (Nguồn: Chụp từ bản thiết kế của nhóm) Hình 2.5: Hình chiếu bằng cụm chặn gạo (Nguồn: Chụp từ bản thiết kế của nhóm) 11 2.3 Cụm đẩy phểu chuyển gạo Vị trí: Được bố trí ở bên trong thùng máy, ngay bên cạnh phễu chuyển gạo. Chức năng: đảm nhận nhiệm vụ đấy phễu chuyển gạo ra miệng trên của phễu ra gạo và đưa phễu chuyển gạo trở lại vị trí ban đầu ( ngay dưới miệng phễu đựng gạo). Sau khi cụm chặn gạo đã chặn hoàn toàn gạo chảy xuống từ trên phễu đựng gạo, cụm này sẽ đẩy phễu chuyển gạo ra vị trí ngay trên phễu ra gạo nhằm để đổ gạo xuống bao bì đã được đặt ở ngay dưới. Ngay sau khi gạo chảy hết xuống thì cụm này sẽ đưa phễu chuyển gạo trở lại vị trí ban đầu (ngay dưới miệng phễu chứa gạo).6: Hình chiếu đứng cụm đẩy phểu chuyển gạo (Nguồn: Chụp từ bản thiết kế của nhóm) Hình 2.7: Hình chiếu bằng cụm đẩy phểu chuyển gạo (Nguồn: Chụp từ bản thiết kế của nhóm) 12 2.4 Cụm ép nhiệt Vị trí: được bố trí bên dưới thùng máy (cụ thể là ngay dưới miệng phễu ra).

Chức năng: đảm nhận nhiệm vụ hàn miệng bao. Khi máy hoạt động, thanh hàn sẽ được làm nóng, sau đó khi gạo được chảy xuống hoàn toàn từ phễu ra, cụm sẽ đẩy thanh hàn để gán miệng bao lại. Sau 3 giây, khi đã hàn xong miệng bao thì cụm hoạt động đưa thanh hàn trở lại vị trí ban đầu để thực hiện khâu tiếp theo.8: Hình chiếu đứng cụm ép nhiệt (Nguồn: Chụp từ bản thiết kế của nhóm) Hình 2.9: Hình chiếu bằng cụm ép nhiệt (Nguồn: Chụp từ bản thiết kế của nhóm) 13 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CƠ KHÍ 3.1 Trục vít me đai ốc 3.1 Khái niệm Vít me đai ốc hay trục vít me đai ốc là hệ thống truyền chuyển động được gia công một cách chính xác, có nhiệm vụ biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến theo cơ chế con vít đai ốc bi. Việc tiếp xúc giữa trục vít và đai vít bởi một lớp bi thép có tác dụng giảm triệt để lực ma sát trượt khi chuyển động, đem lại những chuyển động chính xác cao, trơn tru, mượt mà, bền bỉ, liên tục và ổn định trong thời gian dài.

Hiện nay, có 2 loại vít me đai ốc đó là vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi.