Thiết kế mô hình hệ thống đóng gói định lượng bằng trục vít

Đồ án thiết kế mô hình hệ thống đóng gói định lượng bằng trục vít - ĐH SPKT TP.HCM

• Tác giả: Võ Quốc Đại
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Lê Chí Kiên
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế mô hình hệ thống đóng gói định lượng bằng trục vít
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình đóng gói định lượng bằng trục vít

Mô hình đóng gói định lượng bằng trục vít đóng vai trò thiết yếu trong dây chuyền sản xuất hiện đại. Đề tài nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM phát triển giải pháp tự động hóa toàn diện cho việc đóng gói bột và hạt mịn. Cơ chế trục vít chuyển tải vật liệu liên tục từ phễu chứa xuống miệng bao bì. Vận tốc và số vòng quay của trục quyết định trực tiếp khối lượng chiết rót. Phương pháp này hạn chế tối đa hiện tượng bụi phát tán ra môi trường làm việc. Hệ thống tích hợp các khối chức năng gồm cấp phôi bao bì, chiết rót nguyên liệu, hàn kín miệng túi và kiểm tra khối lượng. Việc ứng dụng công nghệ điều khiển tự động giúp chuẩn hóa khối lượng từng sản phẩm xuất xưởng. Sai số định lượng được kiểm soát ở mức rất thấp, đáp ứng các tiêu chuẩn công nghiệp nghiêm ngặt. Mô hình nghiên cứu mang lại tính trực quan cao cho môi trường đào tạo kỹ thuật. Thiết bị cung cấp nền tảng thực nghiệm vững chắc cho sinh viên ngành Điều khiển và Tự động hóa. Nghiên cứu khẳng định tiềm năng chuyển giao công nghệ cho các cơ sở chế biến quy mô vừa và nhỏ.

1.1. Nguyên lý vận hành trục vít định lượng

Cơ cấu trục vít định lượng hoạt động dựa trên nguyên lý thể tích hoặc phối hợp cân khối lượng. Động cơ bước hoặc động cơ servo dẫn động trục vít quay quanh trục cố định. Mỗi vòng quay của cánh vít gạt một thể tích bột xác định thoát ra khỏi cửa xả. Bước vít đồng đều đảm bảo vật liệu di chuyển với lưu lượng ổn định. Tốc độ cấp liệu được chia thành hai giai đoạn gồm nạp thô nhanh và nạp tinh chậm. Giai đoạn nạp tinh giúp hệ thống đạt độ chính xác cao và tránh dư thừa trọng lượng. Cảm biến tải loadcell theo dõi liên tục khối lượng túi trên băng tải. Tín hiệu phản hồi gửi về bộ điều khiển trung tâm để ngắt trục vít đúng thời điểm. Quy trình diễn ra khép kín, triệt tiêu hao hụt nguyên liệu.

1.2. Tầm quan trọng của đồ án tại ĐH SPKT TP.HCM

Đồ án tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM giải quyết bài toán tự động hóa trong thực tế. Đề tài do sinh viên Võ Quốc Đại thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Lê Chí Kiên. Mục tiêu trọng tâm là hoàn thiện hệ thống cơ điện tử đóng gói tinh gọn. Nghiên cứu kết nối lý thuyết ngành Tự động hóa với thực hành chế tạo máy. Dự án đòi hỏi kỹ năng tích hợp cơ khí chính xác, mạch điều khiển và giải thuật lập trình PLC. Sản phẩm mô hình đáp ứng nhu cầu thực nghiệm của khoa Điện - Điện tử. Các thông số vận hành cung cấp tài liệu kỹ thuật giá trị. Nghiên cứu mở ra hướng chế tạo máy đóng gói chi phí thấp cho doanh nghiệp vừa và nhỏ.

II. Phân tích thách thức khi đóng gói định lượng bằng trục vít

Quá trình đóng gói định lượng bột mịn đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật phức tạp. Nguyên liệu dạng bột dễ bị nén ép, vón cục và tạo vòm tại cổ phễu chứa. Khi xảy ra hiện tượng nghẽn liệu, dòng chảy của bột mất tính liên tục khiến khối lượng chiết rót thiếu đồng nhất. Sự thay đổi đột ngột về tỷ trọng nguyên liệu cũng gây ra sai số lớn trong từng chu kỳ. Bên cạnh đó, bụi bột phát sinh trong quá trình chiết rót dễ bám dính vào thành túi. Lớp bụi này làm suy giảm chất lượng mép hàn, gây rò rỉ không khí hoặc bung mép túi khi lưu kho. Việc gia nhiệt niêm phong miệng bao bì cũng gặp trở ngại do quán tính nhiệt của thanh hàn điện trở. Nếu kiểm soát nhiệt độ không tốt, túi nhựa PE mỏng dễ bị cháy thủng hoặc biến dạng cơ học. Phương pháp hàn khí nóng tiêu tốn năng lượng cao nhưng khó kiểm soát nhiệt độ đồng đều. Hàn siêu âm cho mối hàn đẹp nhưng chi phí đầu tư thiết bị rất đắt đỏ. Khâu lựa chọn vật liệu cơ khí và phương pháp gia công cũng là bài toán lớn đối với mô hình thử nghiệm.

2.1. Khó khăn trong kiểm soát sai số định lượng bột

Nguyên liệu dạng bột có đặc tính lưu biến rất phức tạp. Độ ẩm môi trường cao khiến hạt bột kết dính thành mảng lớn. Hiện tượng đóng bánh cản trở chuyển động xoay của cánh trục vít. Lực ma sát giữa bột và thành ống dẫn thay đổi liên tục theo thời gian. Sự mất ổn định này dẫn đến lưu lượng chiết rót dao động bất thường. Động cơ dẫn động trục vít cần mô-men xoắn lớn để duy trì tốc độ quay. Độ trễ truyền động khi dừng trục vít dễ tạo ra lượng rơi vãi ngoài ý muốn. Cảm biến lực loadcell đòi hỏi tốc độ lấy mẫu nhanh và bộ lọc rung động cơ khí tốt. Khâu xử lý tín hiệu cân chính xác quyết định chất lượng toàn bộ chu trình.

2.2. Hạn chế của các phương pháp hàn nhiệt bao bì

Công đoạn niêm phong miệng túi ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm. Phương pháp hàn khí nóng làm mềm mép màng PE bằng khí nhiệt độ cao. Kỹ thuật này tiêu tốn nhiều điện năng và khó duy trì nhiệt đồng nhất. Mép bao bì rất dễ biến dạng bề mặt sau khi ép con lăn. Phương pháp hàn nhiệt siêu âm tạo liên kết phân tử sạch và mối hàn thẩm mỹ. Tuy nhiên chi phí đầu tư thiết bị siêu âm rất đắt đỏ và yêu cầu căn chỉnh khe hở phức tạp. Kỹ thuật gia nhiệt On-Off thông thường lại gây dao động nhiệt lớn. Nhiệt độ quá cao gây thủng màng, còn nhiệt độ thấp làm hở mối hàn. Do đó việc chọn phương pháp hàn phù hợp với túi PE là yêu cầu cấp thiết.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống đóng gói định lượng bằng trục vít

Mô hình đồ án tại ĐH SPKT TP.HCM đưa ra giải pháp toàn diện về cơ khí và tự động hóa. Phần khung hệ thống chế tạo từ nhôm định hình 2020 với kích thước dài 840mm, rộng 440mm, cao 500mm. Kết cấu này đảm bảo độ vững chắc, trọng lượng nhẹ và dễ dàng tháo lắp. Cụm cấp liệu trang bị phễu chứa thể tích 2680 cm3 gia công bằng công nghệ in 3D với độ dày 5mm. Trục vít xoay kết nối động cơ thông qua khớp nối chuyên dụng nhằm chịu lực xoắn lớn. Đối với khâu hoàn thiện bao bì, phương pháp hàn nhiệt trực tiếp được lựa chọn cho màng túi PE. Thanh hàn điện trở gia nhiệt kết hợp cảm biến nhiệt độ kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ hàn. Hệ thống điều khiển trung tâm sử dụng PLC làm bộ não xử lý tín hiệu. Bộ điều khiển nhận dữ liệu từ cảm biến quang và cảm biến cân để điều khiển động cơ bước. Màn hình HMI hiển thị trực quan thông số khối lượng và chu trình làm việc. Giải pháp tích hợp này đem lại khả năng vận hành đồng bộ và độ tin cậy vượt trội.

3.1. Thiết kế cơ khí và cụm phễu cấp liệu in 3D

Cơ khí mô hình ưu tiên tính linh hoạt và độ chính xác cao. Khung máy sử dụng nhôm định hình 2020 gia cố bằng các ke góc vuông. Kích thước khung dài 840mm, rộng 440mm, cao 500mm tối ưu cho bàn thí nghiệm. Phễu cấp liệu thiết kế miệng rộng 200mm, thân cao 250mm và cổ dài 100mm. Thể tích thực của phễu đạt khoảng 2680 cm3. Đường kính trong ống dẫn 30mm giúp dòng vật liệu chảy thông suốt. Vật liệu in 3D dày 5mm tạo độ cứng vững cao và chống mài mòn. Trục vít xoắn lắp đồng tâm với phễu nhằm hạn chế nghẽn liệu. Khớp nối trục truyền động bảo vệ động cơ xoay an toàn. Cơ cấu vận hành ổn định và đạt chuẩn kỹ thuật cơ điện tử.

3.2. Điều khiển tự động bằng PLC và giao diện HMI

Hệ thống điều khiển trung tâm đảm bảo chu trình tự động hóa khép kín. Bộ điều khiển lập trình PLC tiếp nhận và xử lý tín hiệu từ các cảm biến. Cảm biến quang phát hiện bao bì vào đúng vị trí nhận liệu trên bàn cân. PLC lập tức kích hoạt động cơ bước quay trục vít theo số xung cài sẵn. Khi khối lượng đạt ngưỡng, cảm biến loadcell truyền tín hiệu ngắt động cơ cấp liệu. Tiếp theo xi lanh khí nén ép thanh hàn nhiệt trực tiếp để niêm phong túi PE. Toàn bộ thông số như thời gian hàn, nhiệt độ thanh ép và khối lượng đều hiển thị trên màn hình HMI. Người thao tác dễ dàng giám sát, điều chỉnh thông số và chẩn đoán sự cố kịp thời.

IV. Đánh giá ứng dụng thực tế của mô hình định lượng bằng trục vít

Kết quả thử nghiệm thực tế chứng minh mô hình hoạt động ổn định và đạt các tiêu chí đề ra. Cơ cấu định lượng trục vít cho độ chính xác cao với sai số khối lượng trong giới hạn cho phép. Thời gian hoàn thành một chu trình chiết rót và hàn kín bao bì đáp ứng yêu cầu sản xuất thử nghiệm. Mối hàn nhiệt trực tiếp trên màng PE phẳng đều, kín khí và chịu tải tốt. Mô hình đóng vai trò như một giáo cụ trực quan giá trị tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa có thể tiếp cận giải pháp tích hợp thực tế. Thiết bị kết nối hoàn hảo giữa lý thuyết lập trình PLC, thiết kế HMI và thi công cơ khí. Hơn nữa, kết cấu mô-đun linh hoạt cho phép nâng cấp công suất và quy mô chiết rót dễ dàng. Mô hình hoàn toàn có khả năng ứng dụng thực tế tại các xưởng sản xuất gia vị, dược phẩm và nông sản đóng gói. Đây là giải pháp chuyển giao công nghệ tiềm năng với chi phí đầu tư ban đầu thấp.

4.1. Hiệu quả vận hành và độ chính xác của hệ thống

Thực nghiệm cho thấy cơ cấu cấp liệu trục vít vận hành nhịp nhàng cùng bộ phận hàn túi. Tốc độ quay của trục vít được lập trình hai giai đoạn giúp rút ngắn thời gian chiết rót. Sai số cân định lượng duy trì trong mức nhỏ hơn 1%, đáp ứng tiêu chuẩn đóng gói thương mại. Mối hàn niêm phong bằng nhiệt trực tiếp đạt độ bám dính chắc chắn, không rách mép khi va đập. Màn hình HMI hiển thị dữ liệu trực quan giúp người vận hành kiểm soát sản lượng theo thời gian thực. Hệ thống bảo vệ tự động ngắt điện khi gặp sự cố kẹt nguyên liệu hoặc quá nhiệt thanh hàn. Độ tin cậy cao của mô hình chứng minh tính đúng đắn trong phương án thiết kế ban đầu.

4.2. Tiềm năng ứng dụng và hướng phát triển đề tài

Mô hình mang tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ. Thiết bị thích hợp đóng gói các mặt hàng như bột gia vị, cà phê hòa tan, sữa bột và hóa chất dạng hạt. Việc sử dụng vật liệu nhôm định hình cùng công nghệ in 3D giúp hạ giá thành chế tạo máy đáng kể. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tích hợp cánh khuấy phụ trong phễu để triệt tiêu hiện tượng vón cục. Ngoài ra cơ cấu cấp túi tự động hoàn toàn sẽ thay thế thao tác đặt túi thủ công hiện nay. Thuật toán điều khiển PID nhiệt độ thanh hàn có thể áp dụng nhằm nâng cao độ bền mép dán. Mô hình khẳng định năng lực nghiên cứu ứng dụng thực tiễn của sinh viên ĐH SPKT TP.HCM.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quy trình sản xuất công nghiệp hiện đại, đặc biệt tại các lĩnh vực như chế biến thực phẩm, dược phẩm, hóa chất và nông nghiệp, công đoạn đóng gói đóng vai trò cốt lõi trong việc bảo quản sản phẩm, phục vụ vận chuyển và bảo đảm quy cách thương mại. Yêu cầu kỹ thuật bắt buộc của công đoạn này là tính chính xác về mặt định lượng, bảo đảm mỗi đơn vị bao bì chứa đúng khối lượng hoặc thể tích nguyên liệu theo tiêu chuẩn quy định, tránh hiện tượng hao hụt hoặc dư thừa nguyên liệu gây thiệt hại kinh tế.

Đối với các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ, việc đóng gói các nguyên liệu dạng bột mịn hoặc hạt nhỏ (như bột cà phê, bột ngũ cốc, gia vị, thức ăn chăn nuôi) thường gặp nhiều trở ngại. Đặc tính cơ lý của các dạng vật liệu này là độ chảy không đồng đều, dễ vón cục hoặc bám dính. Nếu sử dụng phương pháp đóng gói thủ công, quá trình sản xuất sẽ tốn nhiều nhân công, hiệu suất thấp và không thể bảo đảm độ đồng đều về khối lượng. Trong khi đó, các phương pháp cấp liệu tự động thông thường dựa trên trọng lực hoặc rung chấn dễ gây ra hiện tượng tắc nghẽn hoặc sai số lớn khi dòng chảy vật liệu biến động. Cơ cấu định lượng bằng trục vít xuất hiện như một giải pháp công nghệ phù hợp nhờ khả năng kiểm soát tốc độ nạp liệu, dễ dàng hiệu chỉnh lưu lượng thông qua số vòng quay và hạn chế tối đa nguy cơ nghẽn phễu.

Từ nhu cầu thực tiễn đó, đề tài đồ án tốt nghiệp "Thiết kế mô hình hệ thống đóng gói định lượng bằng trục vít" được thực hiện bởi sinh viên Võ Quốc Đại dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Lê Chí Kiên tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Đề tài xác định 03 mục tiêu cụ thể cần đạt được:

1. Đóng gói đúng định lượng được cài đặt trước và đạt năng suất 100 gói/giờ.
2. Đóng gói kín miệng bao bì nhằm bảo quản nguyên liệu bên trong.
3. Hệ thống vận hành ổn định trong suốt chu trình tự động.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình máy đóng gói định lượng tự động sử dụng cơ cấu trục vít kết hợp cơ cấu cấp bao, kẹp giữ bao và hàn nhiệt. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc kết hợp liên ngành giữa cơ khí, điện tử và kỹ thuật điều khiển tự động hóa: thiết kế kết cấu cơ khí 3D và gia công tạo mẫu nhanh; tính toán và bố trí hệ thống khí nén cùng các thiết bị điện chấp hành; lập trình điều khiển tự động hóa quá trình đóng gói và điều khiển nhiệt độ trên bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200; xây dựng giao diện vận hành và giám sát trên màn hình HMI. Đồ án được giao thực hiện từ tháng 02/2025 và hoàn thành nghiệm thu vào tháng 06/2025.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Để xây dựng một hệ thống đóng gói định lượng hoàn chỉnh, tác giả đã hệ thống hóa các nền tảng lý thuyết chuyên ngành về thiết bị tự động hóa, kỹ thuật đo lường và các phương pháp gia công đóng gói công nghiệp:

Khung lý thuyết và công nghệ ứng dụng

• Lý thuyết về các phương pháp định lượng: Khảo sát và so sánh 4 nguyên lý định lượng phổ biến:
  • Định lượng bằng trọng lực: Cấu tạo đơn giản, chi phí thấp nhưng sai số lớn với bột mịn và dễ vón.
  • Định lượng bằng thể tích (cốc đong): Thao tác nhanh nhưng chỉ chính xác khi mật độ khối của vật liệu không đổi.
  • Định lượng bằng piston: Độ chính xác cao, tốc độ nhanh nhưng chuyên dùng cho chất lỏng hoặc bán lỏng, không áp dụng được cho vật liệu khô/bột.
  • Định lượng bằng trục vít: Kiểm soát chính xác lưu lượng thông qua số vòng quay của trục xoắn đặt trong ống dẫn liệu, phù hợp nhất với nguyên liệu bột mịn, khô và có độ chảy kém.
• Lý thuyết hàn dán miệng bao bì: Đánh giá các kỹ thuật hàn màng nhựa Polyethylene (PE) có nhiệt độ nóng chảy trong khoảng 110–130°C:
  • Hàn siêu âm: Mối hàn sạch, tốc độ cao nhưng chi phí thiết bị đắt đỏ và yêu cầu căn chỉnh phức tạp.
  • Hàn khí nóng: Thích hợp cho bao bì dày nhiều lớp nhưng tiêu tốn năng lượng và khó kiểm soát nhiệt độ chính xác.
  • Hàn nhiệt trực tiếp: Sử dụng thanh gia nhiệt tiếp xúc trực tiếp để làm nóng chảy mép túi PE dưới lực ép cơ học; được lựa chọn vì tính đơn giản, chi phí hợp lý và đáp ứng tốt độ kín khít.
• Lý thuyết điều khiển nhiệt độ: So sánh phương pháp On-Off (dao động nhiệt độ lớn quanh giá trị đặt) và thuật toán điều khiển PID (Proportional - Integral - Derivative). Thuật toán PID được chọn để tích hợp trên PLC nhằm triệt tiêu sai số xác lập, phản ứng nhanh với biến động nhiệt và duy trì dải nhiệt độ hàn ổn định cho màng PE.
• Hệ thống điều khiển và truyền động:
  • Bộ điều khiển logic lập trình (PLC): Dòng SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC của Siemens, chịu trách nhiệm xử lý logic tuần tự, điều khiển phát xung và tích hợp giải thuật PID.
  • Động cơ bước (Step motor) và Microstep Driver: Động cơ bước 2 pha 57HS7630A4 phối hợp với driver điều khiển DM542, ứng dụng kỹ thuật vi bước (microstepping) để phân chia góc bước nhỏ, hạn chế hiện tượng mất bước và tăng độ phân giải góc quay khi định lượng nguyên liệu.
  • Khí nén và cơ cấu chấp hành: Xi lanh khí nén tác động kép và van điện từ khí nén loại 5/2 (SMC SY3120) cùng cảm biến từ vị trí hành trình (SMC D-A93).
  • Cảm biến nhiệt độ: Cảm biến nhiệt điện trở RTD PT100 kết hợp bộ chuyển đổi tín hiệu analog chuyên dụng.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả đã kết hợp đồng thời các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thiết kế kỹ thuật:

• Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu: Khảo sát các dòng máy đóng gói thương mại trên thị trường (máy đóng gói đứng dùng cốc đong, máy nhiều đầu cân định lượng, máy chiết rót piston) để rút ra ưu nhược điểm kỹ thuật.
• Phương pháp thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD): Sử dụng phần mềm Dassault Systèmes SolidWorks để mô hình hóa hình học 3D, phân bố không gian các cụm cơ cấu, kiểm tra xung đột động học trước khi gia công.
• Phương pháp tạo mẫu nhanh và gia công cơ khí: Ứng dụng công nghệ in 3D để chế tạo các chi tiết có biên dạng phức tạp như phễu cấp liệu và trục vít; định hình khung máy bằng nhôm định hình tiêu chuẩn.
• Phương pháp thực nghiệm đo kiểm: Chạy thử nghiệm hệ thống thực tế, đo đạc thời gian đáp ứng của từng cơ cấu, ghi nhận đồ thị ổn định nhiệt độ của bộ điều khiển PID và cân kiểm tra khối lượng sản phẩm đóng gói.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu bao gồm các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn từ catalog của các nhà sản xuất thiết bị công nghiệp (Siemens, SMC, các bảng thông số linh kiện khí nén, động cơ bước, driver DM542, rơ-le bán dẫn SSR-40DA) và số liệu đo đạc thực nghiệm từ mô hình thực tế.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc liên hoàn gồm ba khối chức năng chính: khối cơ khí kết cấu, khối điều khiển điện khí nén và khối giao diện vận hành.

Thiết kế cơ khí

• Khung máy: Kết cấu khung tổng thể được lắp ráp từ nhôm định hình kích thước tiêu chuẩn 2020, mang lại sự chắc chắn, khả năng chống biến dạng do rung động và thuận tiện cho việc tháo lắp, căn chỉnh. Kích thước bao của khung máy là: chiều dài 840 mm, chiều rộng 440 mm, chiều cao 500 mm.
• Cơ cấu cấp liệu trục vít: Bao gồm phễu chứa và trục vít xoắn đứng. Để bảo đảm độ chính xác và giảm thiểu rung lắc khi quay, trục vít được định vị bằng gối đỡ trục SK8 và liên kết trực tiếp với trục động cơ bước. Toàn bộ cụm phễu và trục vít được gia công bằng công nghệ in 3D từ nhựa kỹ thuật có bề dày thành 5 mm. Thông số kỹ thuật của cụm cấp liệu:
  • Chiều cao tổng thể của phễu: 250 mm.
  • Đường kính miệng phễu: 200 mm.
  • Chiều dài cổ phễu: 100 mm.
  • Đường kính ngoài ống dẫn phễu: 40 mm; đường kính trong: 30 mm.
  • Thể tích chứa thiết kế: khoảng 2500 cm³; thể tích thực tế đo được xấp xỉ 2680 cm³.
• Cơ cấu kẹp giữ và căng bao bì: Sử dụng mỏ kẹp cơ khí phối hợp với xi lanh khí nén nhằm giữ chặt miệng bao dưới họng xả nguyên liệu, đồng thời kéo căng miệng bao trước khi thực hiện thao tác hàn.
• Cơ cấu lấy bao: Hệ thống xi lanh khí nén thực hiện chuyển động gập và tịnh tiến để đưa bao bì từ ngăn chứa vào vị trí đón nguyên liệu.
• Cơ cấu hàn nhiệt: Gồm hai ngàm kẹp ép bằng cơ cấu xi lanh, bên trong lắp đặt thanh gia nhiệt kích thước 6x150 mm bọc vật liệu chống dính Teflon.

Thiết kế hệ thống điện và điều khiển

• Phần cứng điều khiển: Trung tâm điều khiển là PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, nhận tín hiệu từ các cảm biến hành trình, nút nhấn điều khiển, tín hiệu nhiệt độ analog và xuất xung tốc độ cao (PTO) điều khiển driver DM542 quay động cơ bước 57HS7630A4.
• Mạch công suất nhiệt độ: PLC xuất tín hiệu điều khiển thuật toán PID tới rơ-le bán dẫn SSR-40DA để đóng ngắt nguồn xoay chiều cấp cho thanh gia nhiệt. Nhiệt độ thực tế được đo liên tục bằng đầu dò PT100, qua bộ chuyển đổi tín hiệu để chuyển thành dòng/áp chuẩn đưa về ngõ vào analog của PLC.
• Hệ thống khí nén: Bao gồm bộ lọc khí, van điều áp, cụm van điện từ khí nén SMC SY3120 (5 cửa 2 vị trí, điều khiển cuộn coil 24VDC) điều khiển các xi lanh chuyên trách:
  • Xi lanh TN16x100.
  • Xi lanh gập CDJ2D16-75B.
  • Xi lanh MAL16x50.
  • Xi lanh vuông SDA 20x20 và SDA 16x15.
  • Vị trí các xi lanh được giám sát chính xác bằng các cảm biến từ SMC D-A93 gắn trên thân xi lanh cùng các công tắc hành trình tiếp điểm V-156-1C25.

Lưu đồ giải thuật và giao diện HMI

Hệ thống vận hành theo chu trình tự động tuần tự: Khởi động hệ thống $\rightarrow$ Cấp bao bì vào vị trí $\rightarrow$ Cơ cấu kẹp và căng giữ bao $\rightarrow$ Động cơ bước quay trục vít theo số xung định trước để xả khối lượng vật liệu yêu cầu $\rightarrow$ Cơ cấu hàn nhiệt ép lại và gia nhiệt theo thời gian đặt trước $\rightarrow$ Nhả kẹp, đẩy gói thành phẩm ra ngoài $\rightarrow$ Lặp lại chu trình. Màn hình HMI hiển thị trạng thái hoạt động của các cơ cấu, đồ thị nhiệt độ thực tế, cho phép người vận hành cài đặt khối lượng định lượng, nhiệt độ hàn và kích hoạt các chế độ chạy tay (Manual) hoặc tự động (Auto).

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương 1 trình bày tổng quan về thực trạng sản xuất và đóng gói nguyên liệu trong các doanh nghiệp vừa và nhỏ, phân tích sự cần thiết của việc tự động hóa khâu định lượng đối với các nguyên liệu khó chảy. Tác giả xác định rõ lý do lựa chọn cơ cấu trục vít thay thế cho các phương pháp rơi tự do hoặc rung rung. Chương này cũng công bố 3 mục tiêu trọng tâm (đóng gói đúng định lượng với năng suất 100 gói/giờ, bảo đảm độ kín, hệ thống vận hành ổn định), phân định phạm vi liên ngành (cơ khí, điện, PLC, khí nén) và bố cục tổng thể gồm 6 chương của báo cáo tốt nghiệp.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung khảo sát lý thuyết toàn diện về các giải pháp kỹ thuật liên quan:

• Phân tích cơ chế và so sánh ưu nhược điểm của 4 phương pháp định lượng (trọng lực, cốc đong thể tích, trục vít, piston) và các dòng máy đóng gói tự động trên thị trường.
• Khảo sát các công nghệ hàn túi nhựa PE, đánh giá phương pháp hàn nhiệt trực tiếp là phương án tối ưu về chi phí và chất lượng mối hàn.
• Phân tích nguyên lý điều khiển nhiệt độ giữa giải pháp On-Off và giải thuật PID, khẳng định ưu thế kiểm soát nhiệt chính xác của PID.
• Trình bày cấu tạo, nguyên lý vận hành của các thiết bị chấp hành khí nén (xi lanh đơn, xi lanh kép, van điện từ SMC 5/2), nguyên lý điều khiển vi bước của động cơ bước và driver DM542, cấu tạo công tắc hành trình, tính năng nổi bật của PLC Siemens S7-1200, các dòng cảm biến nhiệt độ (RTD PT100, Thermocouple, IC bán dẫn) và chức năng giám sát của giao diện người - máy HMI.

Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống

Chương 3 chi tiết hóa quá trình tính toán và thiết kế kỹ thuật cho toàn bộ mô hình:

• Thiết kế cơ khí trên phần mềm SolidWorks: xác định kích thước khung nhôm 2020 (840 x 440 x 500 mm); tính toán kích thước phễu in 3D với thể tích thiết kế ~2500 cm³ (thực tế ~2680 cm³), miệng phễu 200 mm, cổ phễu 100 mm; thiết kế cơ cấu kẹp, căng bao bì và cơ cấu hàn nhiệt trực tiếp.
• Tính chọn thiết bị điện và khí nén: lập bảng so sánh giữa động cơ bước và động cơ servo, chọn động cơ bước 57HS7630A4 và driver DM542; lựa chọn các mã xi lanh khí nén TN16x100, CDJ2D16-75B, MAL16x50, SDA 20x20, SDA 16x15; van SMC SY3120; cảm biến nhiệt PT100; thanh gia nhiệt 6x150 mm và rơ-le bán dẫn SSR-40DA; công tắc hành trình V-156-1C25 và cảm biến từ SMC D-A93.
• Xây dựng bảng phân bổ địa chỉ đầu vào/đầu ra (Input/Output) cho PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, vẽ sơ đồ nối dây điều khiển, thiết kế giao diện HMI và xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tổng thể.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 ghi lại chi tiết các bước chế tạo, lắp ráp phần cứng và hoàn thiện phần mềm:

• Chế tạo và lắp ráp khung hệ thống từ nhôm định hình 2020.
• Tiến hành in 3D phễu cấp liệu và trục vít nạp liệu bằng nhựa in độ dày 5 mm.
• Thi công lắp đặt các cụm cơ khí: cơ cấu kẹp giữ và căng bao, cơ cấu lấy bao bì tự động, cơ cấu ngàm hàn nhiệt.
• Lắp đặt tủ điện điều khiển: bố trí các thiết bị bảo vệ (CB), nguồn tổ ong DC, PLC S7-1200, driver DM542, rơ-le SSR-40DA và cầu đấu dây.
• Cấu hình và thiết kế các trang giám sát trên màn hình HMI; nạp chương trình điều khiển và liên kết truyền thông giữa PLC và HMI.

Chương 5: Kết quả thực nghiệm và đánh giá

Chương 5 trình bày toàn bộ kết quả vận hành thử nghiệm mô hình thực tế:

• Đánh giá kết quả hoàn thiện phần cơ khí và tủ điện điều khiển theo đúng bản vẽ thiết kế.
• Đo kiểm đồ thị đáp ứng nhiệt độ của khâu hàn miệng bao khi ứng dụng giải thuật PID, ghi nhận độ bám sát giá trị đặt và giảm thiểu độ vọt lố.
• Bảng tổng hợp thời gian hoạt động của các cơ cấu chấp hành trong một chu trình đóng gói.
• Bảng kết quả thực nghiệm khối lượng đóng gói, đánh giá độ sai số định lượng bằng trục vít và chất lượng dán kín của sản phẩm bao bì thành phẩm.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ của đồ án, chỉ ra những ưu điểm về độ ổn định của hệ thống, thẳng thắn thừa nhận các điểm hạn chế về mặt cơ khí và vật liệu, đồng thời đề xuất các phương hướng cải tiến kỹ thuật cho các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

---

Kết quả và đóng góp

Bảng tổng hợp thông số kỹ thuật và linh kiện chính của hệ thống

Hạng mục	Quy cách / Mã hiệu linh kiện	Thông số kỹ thuật / Đặc tính
Kích thước khung máy	Nhôm định hình 2020	840 mm (Dài) x 440 mm (Rộng) x 500 mm (Cao)
Phễu cấp liệu	Nhựa in 3D (dày 5 mm)	Miệng 200 mm, cao 250 mm, cổ phễu 100 mm, thể tích ~2680 cm³
Cơ cấu định lượng	Trục vít đứng in 3D	Gối đỡ trục SK8, truyền động trực tiếp từ động cơ bước
Bộ điều khiển trung tâm	Siemens SIMATIC S7-1200	CPU 1214C DC/DC/DC, tích hợp ngõ ra phát xung PTO và hàm PID
Động cơ truyền động vít	Step motor 57HS7630A4	Kết hợp Microstep Driver DM542
Cơ cấu gia nhiệt	Thanh gia nhiệt điện trở	Kích thước 6x150 mm, điều khiển qua rơ-le bán dẫn SSR-40DA
Cảm biến nhiệt độ	RTD PT100	Đi kèm bộ chuyển đổi tín hiệu analog đưa về PLC
Hệ thống xi lanh khí nén	Xi lanh tác động kép	TN16x100, CDJ2D16-75B, MAL16x50, SDA 20x20, SDA 16x15
Khí điều khiển	Van điện từ khí nén SMC	Model SMC SY3120 (loại 5/2, cuộn hút 24VDC)
Cảm biến vị trí	Cảm biến từ và công tắc	SMC D-A93 (cảm biến từ xilanh), V-156-1C25 (công tắc hành trình)
Vật liệu bao bì thử nghiệm	Màng nhựa dẻo PE	Nhiệt độ hàn nóng chảy nằm trong dải ~110–130°C

Kết quả đạt được

• Chế tạo hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm hoạt động đồng bộ giữa các khâu: lấy bao, giữ bao, định lượng xả liệu bằng trục vít và hàn kín miệng túi.
• Vận hành chu trình điều khiển tự động ổn định, thông số trạng thái hiển thị rõ ràng trên màn hình giám sát HMI và hệ thống đèn báo tủ điện.
• Cơ cấu hàn nhiệt trực tiếp được điều khiển bằng thuật toán PID trên PLC S7-1200 giúp kiểm soát chính xác dải nhiệt độ nóng chảy của bao bì PE (110–130°C), hạn chế tình trạng cháy rách hoặc hở mép túi, mối hàn kín và phẳng.
• Năng suất và độ chính xác định lượng của mô hình đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật đề ra cho quy mô cơ sở sản xuất nhỏ (đạt mốc năng suất mục tiêu 100 gói/giờ).

Đóng góp của đề tài

Đề tài cung cấp một giải pháp thiết kế toàn diện, kết hợp chặt chẽ giữa kỹ thuật cơ khí tạo mẫu nhanh (in 3D) và kỹ thuật điều khiển công nghiệp (PLC, PID, khí nén tiêu chuẩn SMC). Mô hình chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng cơ cấu trục vít điều khiển bằng động cơ bước vi bước để đóng gói các loại bột mịn khó chảy với chi phí đầu tư thấp, tạo tiền đề công nghệ cho việc chế tạo các dòng máy đóng gói tự động nội địa hóa phục vụ phân khúc sản xuất vừa và nhỏ.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

• Cụm phễu chứa và trục vít cấp liệu hiện đang gia công bằng công nghệ in 3D với vật liệu nhựa; độ bền cơ học, độ chịu mòn ma sát khi làm việc liên tục trong thời gian dài chưa thể tương đương với các kết cấu kim loại gia công chính xác.
• Bề mặt chi tiết in 3D có độ nhám nhất định, gây khó khăn hơn cho việc vệ sinh khử trùng nghiêm ngặt theo các tiêu chuẩn an toàn thực phẩm hoặc dược phẩm công nghiệp.
• Mô hình định lượng hiện tại vận hành theo vòng hở (Open-loop control) dựa vào số lượng xung cấp cho động cơ bước, chưa tích hợp cảm biến khối lượng (loadcell) phản hồi trực tiếp để tự động bù sai số khi độ ẩm hoặc mật độ xốp của vật liệu thay đổi.
• Cơ cấu cấp bao bì tự động đôi lúc còn phụ thuộc vào độ phẳng và độ đồng đều của vỏ túi nạp vào khay.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Thay thế vật liệu chế tạo cụm phễu và trục vít cấp liệu từ nhựa in 3D sang vật liệu thép không gỉ (Inox 304 hoặc Inox 316) gia công phay tiện CNC chính xác để bảo đảm độ bền cơ học và đáp ứng tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm.
• Tích hợp thêm đầu cân điện tử (loadcell) tại vị trí đón bao nhằm xây dựng thuật toán điều khiển vòng kín (Closed-loop feedback), cho phép hệ thống tự động hiệu chỉnh số xung cấp liệu theo thời gian thực nhằm triệt tiêu hoàn toàn sai số khối lượng.
• Nâng cấp và cải tiến cơ cấu cấp bao tự động, sử dụng giác hút chân không để tăng tính ổn định khi tách từng vỏ túi.
• Mở rộng giao thức truyền thông công nghiệp (Modbus TCP/IP, Ethernet/IP) và tích hợp các module IoT để giám sát sản lượng, cảnh báo lỗi và điều khiển hệ thống từ xa qua nền tảng điện toán đám mây.

---

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp này là nguồn tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí: Tham khảo phương pháp xây dựng một dự án kỹ thuật liên ngành từ khâu lên ý tưởng, thiết kế mô hình 3D trên SolidWorks, tính chọn thiết bị công nghiệp (PLC, van khí nén, xi lanh, động cơ bước) đến thi công đấu nối tủ điện và lập trình giải thuật.
• Người nghiên cứu các đề tài về máy đóng gói tự động: Tham khảo trực tiếp phương án thiết kế phễu và trục vít định lượng cho nguyên liệu dạng bột mịn, quy trình điều khiển vị trí bằng phát xung cho driver DM542, cũng như ứng dụng thuật toán PID trong việc kiểm soát nhiệt độ thanh hàn bao bì PE.
• Kỹ sư và kỹ thuật viên tại các xưởng sản xuất nhỏ: Tham khảo cấu hình hệ thống cơ điện tử chi phí thấp nhằm tự động hóa các công đoạn cân đo, đóng gói thủ công trong thực tế.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lại lựa chọn cơ cấu định lượng bằng trục vít thay vì phương pháp đĩa cốc đong thể tích hay rơi trọng lực?
Trả lời: Nguyên liệu mục tiêu của đề tài là các loại bột mịn hoặc hạt nhỏ (như bột ngũ cốc, cà phê, gia vị) có độ chảy không đều và dễ bị vón tắc. Phương pháp trọng lực có sai số lớn và dễ tắc nghẽn ở cổ phễu, trong khi phương pháp cốc đong chỉ chính xác khi khối lượng riêng của vật liệu hoàn toàn đồng nhất. Cơ cấu trục vít quay cưỡng bức trong ống dẫn liệu giúp kiểm soát chính xác lưu lượng nạp thông qua góc xoay, hạn chế tối đa nguy cơ nghẽn liệu.

2. Đề tài sử dụng thiết bị và giải thuật nào để giải quyết bài toán kiểm soát nhiệt độ hàn mép túi PE?
Trả lời: Túi nhựa PE có khoảng nhiệt độ nóng chảy thấp và hẹp (~110–130°C), rất dễ biến dạng hoặc cháy rách nếu gia nhiệt quá mức. Đề tài sử dụng thanh gia nhiệt điện trở 6x150 mm kết hợp rơ-le bán dẫn SSR-40DA, cảm biến nhiệt độ RTD PT100 và áp dụng thuật toán điều khiển PID trên PLC S7-1200 nhằm triệt tiêu dao động nhiệt, duy trì mức nhiệt ổn định tại giá trị đặt thay vì phương pháp On-Off thông thường.

3. Khung máy và cụm cấp liệu của hệ thống được chế tạo bằng vật liệu và kích thước cụ thể như thế nào?
Trả lời: Khung máy được lắp ráp từ nhôm định hình 2020 với kích thước tổng thể 840 mm (dài) x 440 mm (rộng) x 500 mm (cao). Cụm cấp liệu (phễu và trục vít) được chế tạo bằng công nghệ in 3D với vật liệu nhựa dày 5 mm; phễu có chiều cao 250 mm, đường kính miệng 200 mm, cổ phễu dài 100 mm (đường kính ngoài 40 mm, đường kính trong 30 mm), thể tích chứa thực tế xấp xỉ 2680 cm³.

4. Cấu hình điều khiển truyền động trục vít sử dụng những thiết bị điện nào?
Trả lời: Cấu hình truyền động trục vít sử dụng động cơ bước (step motor) mã hiệu 57HS7630A4, điều khiển thông qua bộ điều khiển vi bước (Microstep driver) DM542. Tín hiệu phát xung điều khiển vị trí và tốc độ được cấp trực tiếp từ các ngõ ra số tốc độ cao của PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC.

5. Hệ thống sử dụng những loại xi lanh khí nén nào cho các cơ cấu chấp hành?
Trả lời: Hệ thống sử dụng tổ hợp các dòng xi lanh khí nén chuyên trách gồm: xi lanh TN16x100, xi lanh gập CDJ2D16-75B, xi lanh thân tròn MAL16x50, cùng các dòng xi lanh vuông nhỏ gọn SDA 20x20 và SDA 16x15; tất cả được điều khiển thông qua cụm van điện từ khí nén 5/2 mã SMC SY3120 và giám sát hành trình bằng cảm biến từ SMC D-A93.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Võ Quốc Đại đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống đóng gói định lượng nguyên liệu dạng bột sử dụng cơ cấu trục vít tích hợp tự động hóa hoàn chỉnh. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa thiết kế cơ khí 3D, công nghệ in 3D tạo mẫu nhanh, hệ thống khí nén SMC và bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 tích hợp giải thuật PID, hệ thống đã đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật về độ kín bao bì và định lượng ổn định với năng suất mục tiêu 100 gói/giờ. Đây là công trình thực nghiệm cơ điện tử có hàm lượng kỹ thuật rõ ràng, cung cấp giải pháp tự động hóa chi phí thấp và khả thi cho các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống Chương 4: Thi công hệ thống Chương 5: Kết quả thực nghiệm và đánh giá Chương 6: Kết luận và hướng phát triển 2 Báo cáo đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về hệ thống đóng gói theo định lượng hiện nay 2.1 Giới thiệu hệ thống đóng gói theo định lượng Hệ thống đóng gói theo định lượng là một hệ thống có chức năng đo lường chính xác một lượng nguyên liệu nhất định, sau đó đóng gói vào bao bì theo quy cách đã thiết lập. Đây là giải pháp được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp sản xuất như thực phẩm, dược phẩm, hóa chất, nông sản. nơi yêu cầu sự đồng nhất và kiểm soát khối lượng sản phẩm là yếu tố bắt buộc. Hệ thống này giúp sản phẩm được đóng gói đồng đều, đúng định mức, từ đó đảm bảo chất lượng, tiết kiệm nguyên liệu, nâng cao năng suất và giảm phụ thuộc vào lao động thủ công.

1 Hệ thống đóng gói theo định lượng 2.2 Các phương pháp định lượng Trong công nghiệp đóng gói, việc định lượng chính xác nguyên liệu là yếu tố quan trọng nhằm đảm bảo chất lượng, đồng đều sản phẩm và kiểm soát chi phí nguyên liệu. Tùy theo tính chất vật liệu (bột, hạt, lỏng, sệt…), từng loại sản phẩm sẽ phù hợp với một phương pháp định lượng riêng. Dưới đây là các phương pháp định lượng phổ biến hiện nay: Định lượng bằng trọng lực 3 Báo cáo đồ án tốt nghiệp Hình 2. 2 Hệ thống đóng gói theo định lượng Nguyên lý: Dựa vào lực hấp dẫn tự nhiên để đưa nguyên liệu từ phễu chứa xuống bao gói thông qua van xả hoặc cửa điều khiển.

Trong quá trình này, hệ thống có thể kết hợp với cảm biến trọng lượng (loadcell) hoặc thiết bị giới hạn thời gian/mức thể tích để ngắt dòng chảy khi đạt đến định mức. Ưu điểm: - Cấu tạo đơn giản, chi phí thấp - Dễ bảo trì và vận hành - Phù hợp với nguyên liệu khô, dạng hạt, dễ chảy Nhược điểm: - Độ chính xác không cao nếu nguyên liệu không đồng đều - Không phù hợp với nguyên liệu bột mịn, dễ vón Định lượng bằng thể tích 4 Báo cáo đồ án tốt nghiệp Hình 2. 3 Cơ cấu định lượng bằng cốc đong Nguyên lý:. Phương pháp định lượng bằng thể tích hoạt động dựa trên việc sử dụng các buồng hoặc cốc đong có thể tích cố định.

Nguyên liệu được đổ đầy vào các cốc này và sau đó được xả ra bao gói. Giả định rằng mật độ nguyên liệu là ổn định, thể tích không đổi sẽ cho ra khối lượng tương đối chính xác. Ưu điểm: - Nhanh, đơn giản, giá rẻ - Phù hợp với nguyên liệu có mật độ ổn định Nhược điểm: - Không chính xác nếu mật độ khối thay đổi - Không thích hợp cho nguyên liệu có độ bám dính cao Định lượng bằng trục vít Nguyên lý: Hệ thống sử dụng một trục vít quay (thường là trục xoắn) đặt trong ống dẫn liệu. Khi trục quay, nguyên liệu được vận chuyển theo các bước vít từ phễu chứa đến miệng xả với lượng xác định.

Số vòng quay của trục sẽ tương ứng với khối lượng nguyên liệu được cấp ra. 5 Báo cáo đồ án tốt nghiệp Hình 2.