I. Tổng quan thiết kế máy dán nhãn tự động hai mặt
Trong bối cảnh công nghiệp hóa, tự động hóa đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Đồ án 'Thiết Kế Máy Dán Nhãn Tự Động Hai Mặt Chai Tiết Diện Chữ Nhật' ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu cấp thiết này, đặc biệt là trong các ngành hàng tiêu dùng nhanh như hóa mỹ phẩm, thực phẩm, dược phẩm. Việc chuyển đổi từ phương pháp dán nhãn thủ công sang một dây chuyền dán nhãn tự động không chỉ giúp doanh nghiệp tăng tốc độ sản xuất mà còn đảm bảo tính đồng nhất và thẩm mỹ cho bao bì sản phẩm. Một giải pháp dán nhãn công nghiệp hiệu quả phải giải quyết được bài toán về độ chính xác, tốc độ và khả năng tương thích với nhiều loại sản phẩm. Đặc biệt, với các loại chai có tiết diện chữ nhật hoặc chai dẹt, việc dán nhãn đồng thời hai mặt đòi hỏi một cơ cấu cơ khí và hệ thống điều khiển chính xác. Đồ án này tập trung vào việc ứng dụng các kiến thức về thiết kế cơ khí, lập trình hệ thống điều khiển PLC, và tự động hóa để tạo ra một sản phẩm máy móc hoàn chỉnh, có khả năng vận hành ổn định và hiệu quả. Mục tiêu cốt lõi là xây dựng một máy dán nhãn mặt trước mặt sau có thể tích hợp dễ dàng vào các dây chuyền sản xuất hiện hữu, từ đó góp phần vào quá trình hiện đại hóa của các doanh nghiệp trong nước. Nghiên cứu này không chỉ là một bài toán kỹ thuật mà còn là một minh chứng cho khả năng áp dụng lý thuyết vào thực tiễn, tạo ra những sản phẩm 'made in Vietnam' có giá trị cao.
1.1. Tầm quan trọng của tự động hóa trong dán nhãn công nghiệp
Tự động hóa trong công nghiệp là việc ứng dụng các hệ thống điều khiển tự động để vận hành máy móc, thay thế sức lao động của con người. Theo tài liệu nghiên cứu, việc áp dụng tự động hóa mang lại nhiều lợi ích vượt trội: tăng năng suất lao động do máy có thể hoạt động liên tục 24/7, tối ưu hóa chi phí vận hành, và quan trọng nhất là nâng cao chất lượng sản phẩm. Đối với công đoạn dán nhãn, tự động hóa loại bỏ các sai sót do con người gây ra như dán lệch, nhăn hoặc bong bóng khí. Một máy dán tem nhãn 2 mặt tự động đảm bảo mọi sản phẩm, từ máy dán nhãn chai dầu gội đến máy dán nhãn chai nước rửa chén, đều có chất lượng đồng đều, góp phần xây dựng hình ảnh thương hiệu chuyên nghiệp.
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đồ án thiết kế máy dán nhãn
Đồ án đặt ra mục tiêu rõ ràng: thiết kế và chế tạo một máy dán nhãn tự động hai mặt chuyên dụng cho chai nhớt MRP LUBE dung tích 1000ml, có tiết diện chữ nhật. Các nhiệm vụ chính bao gồm: nghiên cứu quy trình công nghệ, xác định yêu cầu kỹ thuật, phân tích và lựa chọn phương án thiết kế tối ưu. Quá trình này đòi hỏi việc tính toán động học, động lực học cho hệ thống, thiết kế các bộ phận cơ khí như băng tải dán nhãn, đầu dán nhãn tự động, và xây dựng hệ thống điều khiển PLC. Cuối cùng, sản phẩm phải được biểu diễn qua các bản vẽ 2D/3D chi tiết và mô hình hóa 3D, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, đạt năng suất yêu cầu và có kết cấu gọn gàng, hợp lý.
II. Thách thức khi thiết kế máy dán nhãn cho chai chữ nhật
Việc dán nhãn cho các sản phẩm có bề mặt phẳng và tiết diện chữ nhật đặt ra nhiều thách thức hơn so với chai tròn. Khó khăn lớn nhất nằm ở việc định vị chính xác sản phẩm và đảm bảo nhãn được dán phẳng, không nhăn, không bọt khí trên cả hai mặt cùng lúc. Các phương pháp thủ công thường không đáp ứng được yêu cầu về tốc độ và độ chính xác, dẫn đến tỷ lệ sản phẩm lỗi cao. Trong quá trình nghiên cứu, đồ án đã phân tích nhiều phương án thiết kế khác nhau để tìm ra giải pháp dán nhãn công nghiệp tối ưu. Các phương án này bao gồm máy dán nhãn mặt phẳng ngang, máy dán nhãn dùng cơ cấu kẹp thủy lực, và máy dán nhãn dùng cơ cấu băng ma sát. Mỗi phương án đều có ưu và nhược điểm riêng. Ví dụ, máy dán nhãn ngang tuy đơn giản nhưng không hiệu quả khi dán hai mặt. Máy dùng kẹp thủy lực hoặc băng ma sát lại có cấu tạo phức tạp và chi phí cao. Việc lựa chọn phương án phù hợp không chỉ dựa trên yêu cầu kỹ thuật mà còn phải cân nhắc đến tính kinh tế và khả năng chế tạo máy dán nhãn theo yêu cầu tại Việt Nam. Đây là bài toán cốt lõi cần giải quyết trước khi đi vào tính toán chi tiết cho một máy dán decal chai vuông hay máy dán nhãn chai dẹt.
2.1. Phân tích 4 phương án thiết kế máy dán nhãn phổ biến
Tài liệu gốc đã trình bày và phân tích bốn phương án chính. Phương án 1 (máy dán nhãn mặt phẳng ngang) có ưu điểm là thiết kế đơn giản, chi phí thấp nhưng năng suất giảm đáng kể khi dán hai mặt. Phương án 2 (máy dán nhãn mặt phẳng đứng hai mặt) có thể dán đồng thời hai mặt, năng suất cao (120-250 chai/phút) nhưng thiết kế phức tạp và chi phí cao hơn. Phương án 3 (dùng cơ cấu kẹp thủy lực) và Phương án 4 (dùng cơ cấu băng ma sát) tuy có độ chính xác cao nhưng cấu tạo phức tạp, khó chế tạo và yêu cầu vật tư đặc thù, làm tăng giá thành sản xuất. Việc phân tích này là cơ sở quan trọng để đưa ra lựa chọn cuối cùng.
2.2. Lý do chọn phương án máy dán nhãn mặt phẳng đứng 2 mặt
Dựa trên việc so sánh ưu nhược điểm và yêu cầu của bài toán là dán nhãn cho sản phẩm chai nhớt hai mặt, đồ án đã kết luận lựa chọn phương án số 2: 'Máy dán nhãn mặt phẳng đứng hai mặt'. Phương án này đáp ứng tốt nhất yêu cầu về năng suất và khả năng dán đồng thời hai mặt. Mặc dù có thiết kế phức tạp hơn phương án 1, nó vẫn nằm trong khả năng chế tạo và tối ưu chi phí. Đây là lựa chọn cân bằng giữa hiệu quả hoạt động và tính khả thi trong sản xuất, phù hợp để phát triển thành một máy dán nhãn sản phẩm hình hộp thương mại.
III. Phương pháp thiết kế hệ thống cơ khí máy dán nhãn 2 mặt
Hệ thống cơ khí là xương sống của máy dán nhãn tự động hai mặt. Cấu tạo máy dán nhãn chai theo phương án được chọn bao gồm các cụm chính: cụm băng tải, hai cụm dán nhãn đối xứng và cụm miết nhãn. Mỗi cụm đều được tính toán và thiết kế chi tiết để đảm bảo hoạt động đồng bộ và chính xác. Cụm băng tải dán nhãn có nhiệm vụ vận chuyển chai vào đúng vị trí với tốc độ ổn định. Đồ án đã thực hiện tính toán chi tiết từ việc chọn loại băng tải PVC, xác định chiều rộng băng, tính toán công suất động cơ, cho đến việc lựa chọn động cơ giảm tốc và hộp số phù hợp. Trái tim của máy là hai đầu dán nhãn tự động, được bố trí ở hai bên băng tải. Mỗi đầu dán bao gồm cuộn cấp nhãn, các trục lăn dẫn hướng, trục lăn kéo nhãn được dẫn động bởi động cơ bước, và tay gạt nhãn. Việc sử dụng động cơ bước cho phép điều khiển việc nhả nhãn với độ chính xác cực cao, đảm bảo mỗi nhãn được đưa ra đúng thời điểm và đúng chiều dài. Toàn bộ các cụm được lắp đặt trên một khung sườn chắc chắn, đảm bảo không rung lắc trong quá trình vận hành, yếu tố quyết định đến độ chính xác của việc dán nhãn chai PET vuông.
3.1. Tính toán và lựa chọn chi tiết cho cụm băng tải
Quá trình thiết kế cụm băng tải được trình bày chi tiết trong Chương 3 của tài liệu. Với năng suất yêu cầu là 1200 chai/giờ và vận tốc băng tải 0.3 m/s, các thông số quan trọng như lực kéo băng tải, công suất cần thiết, và tỉ số truyền đã được tính toán. Dựa trên công suất yêu cầu là 0.012 kW và số vòng quay trục tang là 64 vòng/phút, đồ án đã chọn động cơ DKM 8IDG6-15-T (15W) kết hợp với hộp giảm tốc 8GBK-BMH. Lựa chọn này đảm bảo cung cấp đủ momen xoắn và tốc độ ổn định cho băng tải, đồng thời thỏa mãn các điều kiện về an toàn và khởi động.
3.2. Thiết kế cơ cấu cấp và dán nhãn sử dụng động cơ bước
Cơ cấu cấp nhãn là bộ phận quan trọng nhất, quyết định độ chính xác của máy. Đồ án sử dụng động cơ bước Nema 43 (model 43HS8460) để kéo nhãn. Nguyên lý hoạt động máy dán nhãn ở cụm này là: khi cảm biến định vị sản phẩm phát hiện chai đi tới, nó sẽ gửi tín hiệu về PLC. PLC sau đó phát xung điều khiển động cơ bước quay một góc chính xác, kéo theo một đoạn nhãn có chiều dài đúng bằng chiều dài thiết kế. Việc sử dụng động cơ bước thay vì động cơ thường đảm bảo không có sai số tích lũy, mỗi lần nhả nhãn đều chính xác tuyệt đối. Moment xoắn của động cơ được tính toán là 160 Nmm, đủ để kéo cuộn nhãn nặng 2kg một cách trơn tru.
IV. Hướng dẫn thiết kế mạch điều khiển PLC cho máy dán nhãn
Để các cụm cơ khí hoạt động một cách nhịp nhàng và tự động, một hệ thống điều khiển thông minh là không thể thiếu. Đồ án sử dụng hệ thống điều khiển PLC (Programmable Logic Controller), cụ thể là dòng S7-200 của Siemens, làm bộ não trung tâm. Mạch điều khiển được thiết kế để nhận tín hiệu từ các cảm biến và xuất tín hiệu điều khiển các cơ cấu chấp hành như động cơ băng tải và động cơ bước. Nguyên lý hoạt động máy dán nhãn dựa trên một chu trình logic chặt chẽ: sản phẩm di chuyển trên băng tải, đi qua một cảm biến định vị sản phẩm (cảm biến quang). Khi cảm biến phát hiện sản phẩm vào đúng vị trí, nó gửi tín hiệu về PLC. PLC ngay lập tức xử lý và phát ra một chuỗi xung đến driver của hai động cơ bước ở hai đầu dán nhãn tự động. Các động cơ bước quay và nhả nhãn dán lên hai mặt của chai. Toàn bộ quá trình diễn ra trong tích tắc. Mạch điện cũng bao gồm các thiết bị bảo vệ như cầu dao, cầu chì, rơ-le nhiệt để đảm bảo an toàn cho động cơ và toàn bộ hệ thống, tránh các sự cố quá tải hoặc ngắn mạch. Giao diện vận hành được thiết kế đơn giản với các nút nhấn Start, Stop và nút dừng khẩn cấp, giúp người vận hành dễ dàng thao tác.
4.1. Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của mạch điện tử
Sơ đồ khối của mạch điện điều khiển được mô tả trong Chương 4. Nó bao gồm nguồn cấp, PLC S7-200, các cảm biến đầu vào (cảm biến quang), và các cơ cấu chấp hành đầu ra (động cơ băng tải, driver và động cơ bước). Nguyên lý cốt lõi là 'sự kiện - hành động'. Sự kiện là tín hiệu từ cảm biến quang khi chai đi vào vùng dán nhãn. Hành động là PLC phát xung điều khiển động cơ bước. Thiết kế này đảm bảo máy chỉ dán nhãn khi có sản phẩm, giúp tiết kiệm nhãn và năng lượng. Mạch sử dụng phương pháp khởi động trực tiếp cho động cơ băng tải do công suất nhỏ, giúp đơn giản hóa thiết kế và giảm chi phí.
4.2. Vai trò của cảm biến và bộ lập trình PLC S7 200
Cảm biến quang đóng vai trò là 'mắt thần' của hệ thống, xác định chính xác thời điểm chai sản phẩm đi vào vị trí dán nhãn. Độ chính xác của cảm biến ảnh hưởng trực tiếp đến vị trí của nhãn trên chai. Trong khi đó, bộ lập trình PLC S7-200 là 'bộ não' xử lý thông tin. Nó nhận tín hiệu từ cảm biến, thực thi chương trình đã được lập trình sẵn và xuất lệnh điều khiển chính xác đến các động cơ. Việc sử dụng PLC giúp hệ thống có tính linh hoạt cao, dễ dàng thay đổi logic điều khiển, nâng cấp hoặc tùy chỉnh cho các loại máy dán nhãn can nhựa hay máy dán nhãn sản phẩm hình hộp khác nhau mà không cần thay đổi phần cứng.
V. Kết quả ứng dụng và quy trình vận hành máy dán nhãn
Sau quá trình tính toán, thiết kế và lắp đặt, đồ án đã hoàn thiện mô hình máy dán nhãn tự động hai mặt chai tiết diện chữ nhật. Kết quả thực tiễn cho thấy máy hoạt động ổn định, đáp ứng được năng suất đề ra là 1200 chai/giờ. Nhãn được dán chính xác vào vị trí mong muốn trên cả hai mặt của chai nhớt, bề mặt nhãn phẳng, không bị lỗi. Đây là một minh chứng rõ ràng cho việc áp dụng thành công kiến thức lý thuyết vào giải quyết một bài toán công nghiệp cụ thể. Quy trình vận hành máy được tối ưu hóa để trở nên đơn giản và an toàn. Người vận hành chỉ cần thực hiện vài bước cơ bản: kiểm tra an toàn toàn hệ thống, cấp điện, đặt chai lên đầu vào của băng tải dán nhãn và nhấn nút khởi động. Hệ thống sẽ tự động thực hiện toàn bộ chu trình còn lại. Đồ án cũng đề ra một quy trình bảo dưỡng định kỳ chi tiết, bao gồm việc kiểm tra các bộ phận cơ khí, hệ thống điện, và bôi trơn các chi tiết chuyển động. Việc tuân thủ quy trình vận hành và bảo dưỡng sẽ đảm bảo máy dán tem nhãn 2 mặt hoạt động bền bỉ, duy trì độ chính xác và kéo dài tuổi thọ, mang lại hiệu quả kinh tế lâu dài cho doanh nghiệp.
5.1. Các bước vận hành và lưu ý an toàn khi sử dụng máy
Chương 5 của tài liệu hướng dẫn chi tiết quy trình vận hành. Đầu tiên, người vận hành cần đọc kỹ hướng dẫn, kiểm tra và loại bỏ các vật cản trong khu vực làm việc. Sau khi cấp điện, cần cho máy chạy không tải khoảng 5 phút để kiểm tra độ ổn định. Khi đưa sản phẩm vào, cần đảm bảo chai được đặt đúng hướng trên băng chuyền. Một lưu ý an toàn quan trọng là phải làm quen với vị trí nút dừng khẩn cấp (STOP) để xử lý kịp thời khi có sự cố. Chỉ những người đã được đào tạo mới nên vận hành máy để đảm bảo an toàn lao động.
5.2. Đánh giá kết quả đạt được và các hạn chế của đồ án
Kết quả lớn nhất là việc chế tạo máy dán nhãn theo yêu cầu thành công, đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra. Máy đã giải quyết bài toán dán nhãn chính xác cho chai vuông. Tuy nhiên, tài liệu cũng thẳng thắn nhìn nhận một số hạn chế: hệ thống chưa được tự động hóa 100% (vẫn cần cấp chai thủ công), một số cơ cấu như trục lăn kéo nhãn cần cải tiến để tăng độ ổn định, và chưa có hệ thống kiểm tra chất lượng sản phẩm đầu ra tự động. Đây là những điểm quan trọng để cải tiến trong các phiên bản phát triển tiếp theo.
