Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong cơ cấu xuất khẩu nông sản của Việt Nam, quả dứa (Ananas comosus) là một trong những mặt hàng mang lại nguồn thu ngoại tệ và kinh tế ổn định cho các vùng chuyên canh từ Bắc vào Nam, đặc biệt là khu vực Tây Nam Bộ. Mặc dù sản lượng nguyên liệu dồi dào, phần lớn các cơ sở chế biến thực phẩm và thu mua nông sản quy mô vừa và nhỏ hiện nay vẫn xử lý công đoạn sơ chế gọt vỏ bằng phương pháp thủ công hoặc dùng các công cụ cầm tay đơn giản. Phương thức này đòi hỏi nhiều nhân công, tốc độ xử lý chậm, chất lượng gọt không đồng đều và gây lãng phí phần thịt quả.

Để giải quyết vấn đề này, đề tài "Thiết kế và thi công máy gọt vỏ cho quả dứa" (Mã số đề tài: CDT-57) được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nhằm cơ giới hóa và tự động hóa khâu tách vỏ dứa.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được tác giả xác định bao gồm:

  1. Hình thành ý tưởng về một chiếc máy gọt vỏ dứa tự động.
  2. Thiết kế và gia công chế tạo hoàn thiện máy gọt vỏ dứa dựa trên kiến thức cơ điện tử.
  3. Vận hành thực nghiệm và đánh giá kết quả hoạt động sau khi hoàn thành.
  4. Đề ra phương hướng phát triển nhằm hoàn thiện máy gọt vỏ dứa quy mô công nghiệp phục vụ các cơ sở chế biến thực tế.

Nhiệm vụ kỹ thuật ban đầu của đề tài gồm:

  • Năng suất làm việc: $50\text{ kg/giờ}$ (tương đương $30 - 50\text{ quả/giờ}$).
  • Kích thước quả dứa gia công: Chiều cao khoảng $12\text{ cm}$, đường kính khoảng $10\text{ cm}$, khối lượng từ $1 - 1{,}5\text{ kg}$.
  • Nguồn cấp hệ thống: $24\text{V} - 5\text{A}$.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quả dứa chín (các giống dứa Queen, Cayenne, MD2); quy trình thu hoạch và sơ chế dứa tại các cơ sở sản xuất; các dòng máy gọt dứa hiện có trên thị trường; mô hình máy gọt vỏ dứa tự động tích hợp điều khiển lập trình.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát kích thước hình học, khối lượng và cơ tính (lực cắt, lực kẹp) của 80 quả dứa thu thập tại các siêu thị và cửa hàng tiện lợi tại TP. Thủ Đức và Bình Dương; thiết kế kết cấu cơ khí, mạch điện và chương trình điều khiển logic cho một máy gọt vỏ dứa bán tự động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu áp dụng các nguyên lý kỹ thuật cơ điện tử và cơ sở thiết kế máy:

  • Nguyên lý chuyển động cắt gọt: So sánh giữa phương pháp cắt bóc vỏ từng vệt theo phương đứng và phương pháp quay tròn quả dứa kết hợp tịnh tiến dao dọc trục theo đường kính.
  • Lý thuyết truyền động trục vít – đai ốc (vitme): Công thức tính toán lực dọc trục $F_a = mg + F_c$, xác định đường kính trung bình ren $d_2$, chiều cao ren $h$, bước ren $p$, kiểm tra góc nâng vít $\gamma$ thỏa mãn điều kiện tự hãm $\gamma < \rho$, kiểm nghiệm độ bền chịu ứng suất tương đương $\sigma_{tđ} = \sqrt{\sigma^2 + 3\tau^2} \le [\sigma]$.
  • Lý thuyết động cơ một chiều (DC): Nguyên lý chuyển đổi năng lượng điện sang cơ năng, đặc tính điều khiển tốc độ và mô-men xoắn phục vụ chuyển động quay quả dứa và chuyển động dẫn động trục vít.
  • Tiêu chuẩn an toàn thực phẩm đối với dụng cụ cắt: Lựa chọn vật liệu thép không gỉ inox SUS 304, xác định độ sắc lưỡi dao trong khoảng $20 - 40\text{ }\mu\text{m}$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Tác giả đã triển khai kết hợp 4 phương pháp nghiên cứu:

  1. Khảo sát thực nghiệm hình học nông sản: Đo đạc kích thước (chiều dài, đường kính) và cân khối lượng trên mẫu $n = 80$ quả dứa thuộc 3 giống: dứa Queen (dứa ta), dứa Cayenne (dứa mật/Hoàng Hậu) và dứa MD2 tại 3 địa điểm (Bách Hóa Xanh đường Hoàng Diệu 2, Bách Hóa Xanh đường Lê Văn Chí - TP. Thủ Đức, và Siêu thị Go Đông Hòa - Dĩ An, Bình Dương).
  2. Thực nghiệm đo đạc cơ tính quả dứa:
    • Thực nghiệm lực kẹp: Dùng đầu kẹp ép trực tiếp lên quả dứa đặt trên bàn cân để ghi nhận lực tương ứng với độ sâu kẹp từ $3\text{ cm}$ đến $5\text{ cm}$.
    • Thực nghiệm lực cắt vỏ: Gá dao cắt lên bàn cân, cho quả dứa tiếp xúc lưỡi dao và quay tròn để đo lực cản cắt vỏ.
  3. Mô hình hóa và tính toán kỹ thuật: Dựng mô hình 3D toàn bộ kết cấu máy trên máy tính, xuất bản vẽ chế tạo chi tiết và bản vẽ lắp; tính chọn thông số động học, động lực học của hệ thống vitme và động cơ DC.
  4. Lập trình điều khiển và thực nghiệm hệ thống: Đấu nối mạch điều khiển sử dụng bộ lập trình khả trình PLC Siemens S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC, cảm biến tiệm cận kim loại LJ12A3, relay trung gian và công tắc hành trình để thực hiện chu trình gọt vỏ.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module gồm ba cụm chính: kết cấu cơ khí, hệ thống chấp hành - truyền động và hệ thống điều khiển điện tử.

+------------------------------------------------------------------------+
|                          HỆ THỐNG GỌT VỎ DỨA                           |
+------------------------------------+-----------------------------------+
                                     |
         +---------------------------+---------------------------+
         |                                                       |
+--------v----------------------+               +----------------v----------------------+
|       KHỐI CƠ KHÍ             |               |      KHỐI ĐIỆN & ĐIỀU KHIỂN           |
| - Khung máy kim loại          |               | - PLC Siemens S7-1200 CPU 1215C       |
| - Cụm kẹp dứa trục đứng       |               | - Nguồn tổ ong 24V - 5A               |
| - Cụm dao cắt inox SUS 304    |               | - Động cơ DC kẹp, quay & tịnh tiến    |
| - Bộ truyền vitme - đai ốc    |               | - Cảm biến LJ12A3, công tắc hành trình|
| - Trục dẫn hướng & con trượt  |               | - Bảng nút nhấn, dừng khẩn cấp        |
+-------------------------------+               +---------------------------------------+

So sánh các phương án kết cấu cơ khí

Phương án Nguyên lý hoạt động Ưu điểm Nhược điểm Đánh giá lựa chọn
Phương án 1: Gọt theo phương ngang dùng xy-lanh kẹp Quả dứa kẹp ngang bằng xy-lanh khí nén; động cơ xoay quả dứa và vitme đưa dao gọt ngang. Cơ cấu đơn giản, chi phí thấp, dễ gia công. Dễ rơi quả khi quay nhanh, dễ lệch tâm gây rung lắc, áp lực lên dao lớn, chiếm diện tích bề ngang. Loại bỏ
Phương án 2: Gọt theo phương dọc dùng xy-lanh kẹp Quả dứa cắm vào đầu kẹp dưới, xy-lanh trên ép xuống theo phương đứng; dao tịnh tiến dọc. Khó rơi quả, áp lực dao nhỏ, tiết kiệm diện tích sàn. Hành trình kẹp xy-lanh cố định dễ làm dập nát các quả có chiều dài lớn; thanh kẹp dễ rung lắc. Loại bỏ
Phương án 3: Gọt theo phương dọc dùng động cơ vitme Dùng động cơ điện và trục vít để ép cụm kẹp trên xuống dứa; dao tịnh tiến dọc bằng vitme. Kẹp chắc chắn, điều chỉnh được lực ép theo kích thước quả, vận hành êm nhờ trục dẫn hướng, không cần máy nén khí. Kết cấu lắp ráp phức tạp hơn, chi phí chế tạo cao hơn phương án dùng xy-lanh đơn. Được chọn

So sánh các phương án hệ thống điều khiển

Phương án Đặc tính kỹ thuật Ưu điểm Nhược điểm Đánh giá
Module Timer (NE555/IC tạo trễ) Điều khiển bật/tắt động cơ dựa trên rơ-le định thời gian. Chi phí rất thấp, mạch đơn giản, dễ lắp đặt. Độ chính xác thấp, khó thay đổi quy trình, độ tin cậy cơ học kém khi vận hành liên tục. Không chọn
Vi điều khiển (MCU / Nhúng) Điều khiển qua vi xử lý tích hợp (như ARM, PIC, Arduino). Nhỏ gọn, chi phí thấp, dễ giao tiếp thêm ngoại vi. Chống nhiễu công nghiệp kém, khó mở rộng công suất trực tiếp, lập trình phức tạp. Không chọn
PLC Siemens S7-1200 Bộ điều khiển logic khả trình công nghiệp chuyên dụng. Độ tin cậy cao, chống nhiễu tốt, dễ lập trình hiệu chỉnh logic I/O, mở rộng linh hoạt. Chi phí thiết bị ban đầu cao hơn vi điều khiển. Được chọn

Thông số tính toán thiết kế chính

  • Cơ tính dứa: Lực kẹp thực nghiệm $F_{k_tn} \approx 60\text{ N} \rightarrow$ Chọn lực kẹp thiết kế $F_k = 120\text{ N}$ (hệ số an toàn $k = 2$). Lực cắt thực nghiệm $F_{c_tn} \approx 35 - 45\text{ N} \rightarrow$ Chọn lực cắt thiết kế $F_c = 90\text{ N}$ ($k = 2$).
  • Bộ truyền vitme di chuyển dao:
    • Khối lượng cụm dao: Cán dao ($150\text{ g}$) + Bạc đạn trượt SSC8UU ($52\text{ g}$) + Bulông đai ốc ($30\text{ g}$) + Cụm thanh truyền ($162\text{ g}$) $\rightarrow m = 0{,}394\text{ kg}$.
    • Lực dọc trục: $F_a = mg + F_c = 0{,}394 \times 9{,}81 + 90 \approx 93{,}86\text{ N} \approx 94\text{ N}$.
    • Kích thước ren vuông: Đường kính trung bình $d_2 = 7\text{ mm}$, chiều cao ren $h = 0{,}7\text{ mm}$, đường kính ngoài $d = 7{,}7\text{ mm}$, đường kính trong $d_1 = 6{,}3\text{ mm}$, bước ren $p = 2\text{ mm}$, số mối ren $z_1 = 1$.
    • Góc nâng vít $\gamma = 5{,}14^\circ$, góc ma sát tương đương $\rho = 5{,}84^\circ \rightarrow \gamma < \rho$ (thỏa mãn điều kiện tự hãm).
    • Chiều cao đai ốc đồng: $H = 10\text{ mm}$, số vòng ren làm việc $z = 5$.
    • Vật liệu trục vít thép C45 có giới hạn chảy $\sigma_{ch} = 360\text{ MPa}$, ứng suất cho phép $[\sigma] = 120\text{ MPa}$. Ứng suất tương đương $\sigma_{tđ} \approx 3{,}9\text{ MPa} \ll [\sigma]$.
  • Kết cấu lưỡi dao: Dao dạng hình cánh cung chế tạo bằng inox SUS 304, độ sắc $20 - 40\text{ }\mu\text{m}$, thiết kế rãnh cong thoát phoi hạn chế bám dính vỏ.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Chương này trình bày tổng quan về vai trò của ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ Điện tử trong việc hiện đại hóa nông nghiệp và sản xuất thực phẩm tại Việt Nam. Tác giả nêu bật tính cấp thiết của việc nghiên cứu máy gọt vỏ dứa nhằm giảm chi phí nhân công và nâng cao năng suất sơ chế. Chương 1 thiết lập các mục tiêu nghiên cứu cụ thể, phạm vi khảo sát đối tượng quả dứa khu vực Tây Nam Bộ, xác định 4 phương pháp nghiên cứu (quan sát thực tiễn, mô hình hóa, nghiên cứu định lượng, phân tích tổng kết kinh nghiệm) và cấu trúc 7 chương của đồ án.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Chương 2 cung cấp thông tin thực vật học về cây dứa (Ananas comosus), các thành phần dinh dưỡng (vitamin C, chất chống oxy hóa, enzyme bromelain) và đặc điểm của 3 giống dứa phổ biến tại Việt Nam:

  • Dứa Queen (dứa gai): Thịt giòn, ngọt, thơm, khối lượng $0{,}65 - 1{,}35\text{ kg}$, nhiều gai ở mép lá, chứa nhiều bromelain gây rát lưỡi.
  • Dứa Cayenne (dứa mật): Quả lớn $1 - 3\text{ kg}$, nhiều nước, thịt mềm, lá không gai, vị ngọt đậm.
  • Dứa vàng MD2: Giống lai giữa Queen và Cayenne, quả hình trụ, mắt cạn, thịt ngọt giòn và ít bromelain.

Chương này cũng phân tích kết cấu và thông số của 3 mẫu máy thương mại:

  1. Máy gọt vỏ KA-750PM (Nhật Bản): Năng suất $7 - 8\text{ quả/phút}$, công suất $250\text{W}$, nặng $13\text{ kg}$; nhược điểm là kẹp 1 đầu, dao mỏng dễ gãy và thiếu nút dừng khẩn cấp.
  2. Máy PINCYL8: Năng suất $10 - 12\text{ quả/phút}$, công suất $2{,}2\text{kW}$, nặng $1100\text{ kg}$; nhược điểm là kích thước cồng kềnh, chi phí rất cao, chỉ hợp doanh nghiệp lớn.
  3. Máy MRC-BL: Năng suất $6 - 10\text{ quả/phút}$, công suất $0{,}75\text{kW}$, nặng $50\text{ kg}$; gọt bằng xy-lanh ép qua khuôn, nhược điểm là phải thay khuôn theo kích thước quả và thiếu chức năng reset vị trí.

Từ đó, nhóm tác giả định hướng thiết kế máy khắc phục các nhược điểm trên: kẹp 2 đầu trục đứng, dùng dao cánh cung inox 304, bổ sung đầy đủ nút dừng khẩn cấp và nút reset.

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trình bày kết quả khảo sát 80 quả dứa và thực nghiệm cơ tính phục vụ thiết kế:

Bảng số liệu kích thước khảo sát thực tế (Bảng 3.1, 3.2, 3.3)

Giống dứa Khối lượng trung bình (g) Khối lượng Min - Max (g) Chiều dài trung bình (cm) Chiều dài Min - Max (cm) Đường kính trung bình (cm) Đường kính Min - Max (cm)
Dứa Queen (Dứa ta) 945 650 – 1350 12,7 10 – 15 10,9 8,5 – 11,5
Dứa Cayenne (Hoàng Hậu) 1320 1200 – 2500 24,6 20 – 30 13,7 15 – 20
Dứa MD2 (Dứa mật) 1178 — 11,4 — 8,3 —

Bảng thực nghiệm đo lực kẹp đầu dứa (Bảng 3.4, 3.5)

Lần thử Độ sâu kẹp (cm) Lực kẹp dứa Queen (N) Lực kẹp dứa Cayenne (N)
1 3,0 20 18
2 3,5 28 26
3 4,0 36 33
4 4,5 47 42
5 5,0 60 57

Bảng số liệu thực nghiệm đo lực cắt vỏ dứa (Bảng 3.6)

Lần thử nghiệm Lực cắt dứa Cayenne (N) Lực cắt dứa Queen (N)
1 23,5 19,7
2 32,9 33,3
3 21,7 29,6
4 38,7 32,4
5 42,6 41,7

Chương 3 cũng phân tích so sánh 2 nguyên lý cắt gọt (gọt dọc thân vs gọt xoay tròn theo đường kính), lựa chọn phương án xoay tròn quả dứa quanh tâm kết hợp dao tịnh tiến dọc vì tốc độ gọt nhanh, đường cắt mịn. Chương này tổng hợp lý thuyết động cơ DC, cấu tạo - công thức tính toán bộ truyền vitme - đai ốc và các tiêu chuẩn hình học của dao cắt cánh cung.

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP VỀ CHẾ TẠO MÁY GỌT VỎ QUẢ DỨA

Xác định toàn bộ yêu cầu kỹ thuật: năng suất $50\text{ kg/h}$, xử lý quả $1 - 1{,}5\text{ kg}$ (cao $12\text{ cm}$, đường kính $10\text{ cm}$). Phân tích 3 phương án cơ khí và 3 phương án điều khiển điện, quyết định chọn kết cấu kẹp đứng dẫn động bằng động cơ vitme và hệ điều khiển trung tâm bằng PLC Siemens S7-1200. Chương này kết thúc bằng quy trình triển khai công việc gồm 16 bước từ thiết kế CAD 3D, gia công chi tiết, lắp ráp cơ điện đến lập trình và chạy thử.

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY GỌT VỎ DỨA

Trình bày chi tiết chuỗi tính toán kỹ thuật:

  • Tính toán trục vít - đai ốc di chuyển cụm dao: Vật liệu vít SUS 304 / C45, đai ốc đồng thanh; tính lực dọc trục $F_a = 93{,}86\text{ N} \approx 94\text{ N}$; đường kính trung bình ren $d_2 = 7\text{ mm}$, bước ren $p = 2\text{ mm}$, ren vuông 1 đầu mối; kiểm tra tự hãm $\gamma = 5{,}14^\circ < \rho = 5{,}84^\circ$; chiều cao đai ốc $H = 10\text{ mm}$ ($z = 5\text{ ren}$).
  • Tính toán kiểm nghiệm bền trục vít: Mô-men xoắn $T \approx 70{,}07\text{ Nmm}$, ứng suất tiếp $\tau$, ứng suất pháp $\sigma$, tính ứng suất tương đương $\sigma_{tđ} \approx 3{,}9\text{ MPa}$, nhỏ hơn ứng suất cho phép $[\sigma] = 120\text{ MPa}$.
  • Tính toán lựa chọn trục vít kẹp dứa, tính công suất động cơ quay quả dứa, động cơ tịnh tiến dao, động cơ trục kẹp và kiểm nghiệm các loại khớp nối trục (khớp nối mềm đàn hồi $6 - 8\text{ mm}$ và khớp nối chặt $6 - 8\text{ mm}$).

CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM

Trình bày quá trình chế tạo thực tế tại xưởng:

  • Gia công khung máy, cụm kẹp trên/dưới, cụm dao cắt cánh cung bằng inox SUS 304, lắp đặt con trượt dọc và gối đỡ trục.
  • Lắp đặt tủ điện: PLC Siemens S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC, nguồn tổ ong $24\text{V} - 5\text{A}$, rơ-le trung gian, cảm biến tiệm cận kim loại LJ12A3, công tắc hành trình giới hạn trên/dưới.
  • Lập bảng phân công tín hiệu ngõ vào/ngõ ra (I/O) và viết thuật toán điều khiển chu trình: kẹp dứa $\rightarrow$ quay dứa $\rightarrow$ dao tiến cắt từ trên xuống $\rightarrow$ dao hồi vị $\rightarrow$ dừng quay $\rightarrow$ nhả kẹp.
  • Thực nghiệm gọt thực tế qua 3 lần thử nghiệm: Quan sát khả năng tách vỏ, chất lượng bề mặt thịt dứa, độ thoát phoi của dao và đánh giá độ rung lắc khi vận hành.

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Tổng kết các hạng mục đã hoàn thành của đồ án tốt nghiệp, khẳng định mô hình máy đã chế tạo thành công, vận hành đúng nguyên lý và đáp ứng các tiêu chuẩn cơ bản về tự động hóa gọt dứa. Đồng thời, chương này nêu các kiến nghị cải tiến để nâng cấp mô hình thành sản phẩm thương mại hoàn chỉnh.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính đạt được

  • Chế tạo thành công mô hình máy gọt vỏ dứa: Máy hoạt động bán tự động theo phương thẳng đứng với kích thước gọn gàng, sử dụng nguồn điện $24\text{V} - 5\text{A}$, khung máy chắc chắn, ít rung lắc khi quay dứa ở tốc độ cao.
  • Dữ liệu thực nghiệm cơ tính nông sản: Xác lập số liệu thực tế về lực kẹp cần thiết ($18 - 60\text{ N}$, thiết kế $120\text{ N}$) và lực cắt vỏ ($19{,}7 - 42{,}6\text{ N}$, thiết kế $90\text{ N}$) cho hai giống dứa chủ lực tại Việt Nam là Queen và Cayenne.
  • Hiệu quả cắt gọt: Lưỡi dao inox SUS 304 hình cánh cung cho vết gọt mịn theo chu vi xoay tròn của quả dứa, loại bỏ sạch lớp vỏ ngoài và hạn chế tối đa việc cắt phạm vào phần thịt quả, giải quyết tốt bài toán thoát phoi trong quá trình cắt.
  • Hệ thống điều khiển ổn định: Lập trình điều khiển tuần tự chính xác trên PLC Siemens S7-1200 CPU 1215C; tích hợp đầy đủ công tắc hành trình, cảm biến kim loại LJ12A3, nút dừng khẩn cấp và nút reset đảm bảo an toàn vận hành.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Ứng dụng cơ cấu kẹp dứa bằng trục vít dẫn động bằng động cơ DC độc lập thay vì xy-lanh khí nén cố định, giúp người vận hành linh hoạt điều chỉnh lực kẹp phù hợp với từng quả dứa có chiều cao khác nhau mà không làm dập nát 2 đầu.
  • Đơn giản hóa cơ cấu gá dao và dùng lưỡi dao cánh cung dễ tháo lắp, chi phí gia công thấp, thuận tiện mài hoặc thay thế định kỳ tại các cơ sở chế biến nhỏ.
  • Tích hợp rơ-le trung gian và cầu dao bảo vệ điện, bố trí bảng điều khiển trực quan với công tắc 2 chế độ và đèn báo trạng thái.

Đóng góp kỹ thuật

So với các mẫu máy công nghiệp nhập khẩu cồng kềnh, đắt tiền (như PINCYL8) hoặc các dòng máy mini thiếu tính năng an toàn (như KA-750PM, MRC-BL), đề tài đã đưa ra một giải pháp kỹ thuật cơ điện tử hoàn chỉnh: chi phí chế tạo thấp, cấu trúc kẹp trục đứng chống rung lắc tốt, sử dụng linh kiện phổ biến và chương trình điều khiển PLC linh hoạt, phù hợp với điều kiện sản xuất thực tế tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Quá trình cấp phôi (đặt quả dứa vào ngàm kẹp) và lấy thành phẩm sau khi gọt xong vẫn phải thao tác thủ công bằng tay.
  • Đối với những quả dứa có biên dạng quá cong hoặc đường kính không đồng đều dọc thân, lưỡi dao cố định khoảng cách có thể gọt chưa triệt để các mắt dứa ở chỗ lõm hoặc ăn hơi sâu ở chỗ phình to.
  • Tốc độ và khoảng cách tiếp xúc ban đầu của dao vẫn cần sự căn chỉnh thủ công từ người vận hành trước mỗi mẻ dứa khác loại.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Thiết kế bổ sung cụm cấp phôi và tháo thành phẩm tự động (sử dụng băng chuyền hoặc cơ cấu tay gắp cấp phôi liên tục).
  • Nghiên cứu cơ cấu dao gọt tự động bám biên dạng (chép hình hoặc điều khiển bằng cảm biến đo khoảng cách/cảm ứng lực) giúp lưỡi dao tự điều chỉnh độ sâu cắt theo đường cong thực tế của từng quả dứa.
  • Tích hợp thêm cụm dao tự động cắt bỏ hai đầu (cuống và ngọn) và ống đột khoét lõi dứa trong cùng một chu trình làm việc khép kín.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp này là tài liệu kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ Điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy và Tự động hóa: Tham khảo phương pháp luận thiết kế một hệ thống máy nông nghiệp - thực phẩm hoàn chỉnh từ khâu khảo sát thực nghiệm, dựng hình CAD 3D, tính toán bộ truyền trục vít - đai ốc, chọn động cơ đến lập trình PLC.
  • Kỹ sư và kỹ thuật viên chế tạo máy chế biến nông sản: Tham khảo các số liệu thực nghiệm đo lực kẹp ($F_k = 120\text{ N}$) và lực cắt ($F_c = 90\text{ N}$) của dứa Queen và Cayenne; kết cấu dao cánh cung inox SUS 304 thoát phoi; sơ đồ đấu nối I/O và mạch động lực cho PLC S7-1200.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn phương án gọt vỏ dứa xoay tròn theo đường kính thay vì gọt từng vệt dọc theo thân quả?

Phương án gọt theo từng vệt dọc thân quả tuy kết cấu dao đơn giản nhưng chu trình gọt phải lặp lại nhiều lần gián đoạn (cắt một vệt $\rightarrow$ quay một góc $\rightarrow$ dừng $\rightarrow$ cắt tiếp), dẫn đến tốc độ gọt chậm, năng suất thấp và bề mặt thành phẩm bị góc cạnh. Trong khi đó, phương án xoay tròn quả dứa quanh tâm với tốc độ ổn định kết hợp cho dao tịnh tiến dọc liên tục sẽ tạo ra đường cắt xoắn ốc mịn, loại bỏ vỏ nhanh chóng, năng suất cao hơn và thành phẩm tròn đều đẹp mắt.

2. Các thông số lực kẹp và lực cắt dùng trong tính toán thiết kế máy được xác định như thế nào?

Nhóm tác giả đã tiến hành đo đạc thực nghiệm bằng bàn cân. Lực kẹp thực tế ghi nhận từ $18\text{ N}$ đến $60\text{ N}$ khi đầu kẹp ăn sâu $3 - 5\text{ cm}$ vào hai đầu quả dứa. Lực cắt vỏ thực tế đo được dao động từ $19{,}7\text{ N}$ đến $42{,}6\text{ N}$. Để đảm bảo hệ số an toàn ($k = 2$) trong điều kiện gia công máy tốc độ cao và dụng cụ đo thủ công có sai số, tác giả đã nhân đôi các giá trị thực nghiệm để chọn lực kẹp thiết kế $F_k = 120\text{ N}$ và lực cắt thiết kế $F_c = 90\text{ N}$.

3. Ưu điểm của cơ cấu kẹp dứa bằng động cơ trục vít so với cơ cấu dùng xy-lanh khí nén trong đề tài là gì?

Cơ cấu kẹp bằng động cơ trục vít cho phép người dùng chủ động điều khiển và dừng lực ép tại vị trí mong muốn phù hợp với mọi chiều cao quả dứa, tránh làm dập nát hai đầu quả như khi dùng xy-lanh khí nén có hành trình cố định. Ngoài ra, việc dùng động cơ trục vít kết hợp trục dẫn hướng giúp ngàm kẹp giữ quả chắc chắn, triệt tiêu độ rung lắc khi quay dứa tốc độ cao và không cần trang bị thêm hệ thống máy nén khí cồng kềnh, đắt tiền.

4. Lưỡi dao gọt vỏ dứa trong máy được thiết kế bằng vật liệu gì và có kết cấu ra sao để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật?

Lưỡi dao được chế tạo từ inox SUS 304 (thép không gỉ chuyên dụng cho y tế và thực phẩm) nhằm đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm và chống ăn mòn bởi axit trong nước dứa. Dao có độ sắc đạt $20 - 40\text{ }\mu\text{m}$, được uốn định hình dạng cánh cung với rãnh thoát phoi cong, giúp vỏ dứa sau khi cắt tự động cuộn thoát ra ngoài mà không gây kẹt dao hay làm rách thịt quả.

5. Hệ thống điều khiển của máy sử dụng những thiết bị chính nào?

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển trung tâm là PLC Siemens S7-1200 (CPU 1215C DC/DC/DC), kết hợp với bộ nguồn tổ ong $24\text{V} - 5\text{A}$, cảm biến tiệm cận kim loại LJ12A3 để định vị hành trình, các công tắc hành trình cơ học giới hạn vị trí trên/dưới của cụm dao và cụm kẹp, các rơ-le trung gian điều khiển đảo chiều động cơ DC, cùng bảng nút nhấn điều khiển gồm công tắc 2 chế độ, nút dừng khẩn cấp và nút reset.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công máy gọt vỏ cho quả dứa" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết trọn vẹn bài toán cơ giới hóa công đoạn sơ chế dứa cho các cơ sở chế biến quy mô vừa và nhỏ. Bằng việc kết hợp thực nghiệm cơ tính nông sản, tính toán cơ học truyền động trục vít - đai ốc và lập trình điều khiển trên PLC Siemens S7-1200, đề tài đã chế tạo thành công mô hình máy gọt vỏ dứa trục đứng hoạt động ổn định, vết cắt sạch và đảm bảo an toàn vận hành. Công trình cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm và tài liệu thiết kế cơ điện tử có giá trị ứng dụng cao cho việc phát triển các dòng máy chế biến nông sản tự động tại Việt Nam.