tính toán hệ thống cấp phôi (nắp chai) dạng xích tải, tải chai, đóng nắp chai Bia Heineken

ĐỒ ÁN TỰ ĐỘNG HÓA SẢN XUẤT GV.VÕ ANH HUY
MỤC LỤC:
Nguyễn Thanh Tuấn
Phạm Anh Khoa Page 1
ĐỒ ÁN TỰ ĐỘNG HÓA SẢN XUẤT GV.VÕ ANH HUY
LỜI NÓI ĐẦU
Đồ án tự động hóa là một trong những đồ án quan trọng của sinh viên ngành Kỹ thuật, đặt
biệt là chuyên môn về Kỹ thuật điều khiển tự động. Bài tập này được thực hiện nhằm mục đích
giới thiệu cho sinh viên các hệ thống sản xuất tiên tiến và linh hoạt, những phương pháp mới
trong sản xuất công nghiệp để nâng cao tầm quản lý và định hướng phát triển của sự nghiệp Cơ
khí sau này.
Trong quá trình thực hiện, sinh viên được giao tính toán hệ thống cấp phôi (nắp chai) dạng
xích tải, tải chai, đóng nắp chai. Đây là một hệ thống trong quy trình sản xuất bia. Tuy đơn giản
về mặt kết cấu nhưng hệ thống này có đầy đủ những yêu cầu cơ bản để khi thực hiện, sinh viên
nắm được những kỹ thuật then chốt làm nền móng cho quá trình học tập và đi sâu vào lĩnh vực
sản xuất tự động.
Mục đích của đồ án này là làm cho sinh viên biết ứng dụng những hiểu biết của mình về Cơ
khí để áp dụng thiết kế cho một bài toán thực tế trên cơ sở những gì đã học. Từ đó rút ra được
những bài học kinh nghiệm đầu đời cho chính bản thân để sẵn sàng bước vào con đường Kỹ
thuật chế tạo.
Xin chân thành cám ơn những bài học kinh nghiệm quý báu của các Thầy Cô trong bộ môn
Cơ điện tử và sự hướng dẫn nhiệt tình của Ths. Võ Anh Huy đã giúp cho sinh viên hoàn thành
bài tập này !
Thành phố HCM, ngày 10 - 12 – 2010
Nguyễn Thanh Tuấn
Phạm Anh Khoa Page 2
ĐỒ ÁN TỰ ĐỘNG HÓA SẢN XUẤT GV.VÕ ANH HUY
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ QUY TRÌNH
ĐÓNG NẮP CHAI BIA
1.1 Tìm hiểu chung về đóng nắp chai bia:
Đây là một phần trong quá trình sản xuất bia, sau khi chiết bia vào chai, chai được

thiết bị cấp chai đưa vào bộ phận đóng nắp chai để thực hiện quá trình đóng nắp chai.
Do yêu cầu sản xuất ngày một tăng vì vậy đòi hỏi một quy trình có tính tự động hóa
cao, đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm, đảm bảo sức khỏe cho người tiêu dùng.
Hình 1.1 Bia Heineken chai tham khảo.
Nguyễn Thanh Tuấn
Phạm Anh Khoa Page 3
ĐỒ ÁN TỰ ĐỘNG HÓA SẢN XUẤT GV.VÕ ANH HUY
1.2 Kích thước tiêu chuẩn của đầu nắp chai bia và nắp chai:
Chai bia :
Hình 1.2 Chai bia
Nắp chai bia:
Nguyễn Thanh Tuấn
Phạm Anh Khoa Page 4
ĐỒ ÁN TỰ ĐỘNG HÓA SẢN XUẤT GV.VÕ ANH HUY
Hình 1.3 Nắp chai bia trước khi đóng
Các bộ phận chính của hệ thống đóng nắp chai:
- Hệ thống cấp nắp chai tự động.
- Hệ thống cấp chai tự động.
- Hệ thống đóng nắp chai tự động.
1.3 Các phương pháp sử dụng trên thị trường.
1.3.1 Hệ thống cấp nắp chai tự động:
Phương án 1: Phương pháp cấp phôi rung
Nguyên lý: Phôi được vận chuyển trong mâm xoay từ thấp lên cao, qua thanh gạt
để định hướng phôi theo 2 chiều nằm sấp hay nằm ngửa, nắp chai tiếp tục được vận
chuyển qua bộ phận như hình để loại bỏ các nắp nằm sấp như vậy nắp chai đã được
định hướng. Phương pháp này cũng sử dụng nguyên lý cân bằng trọng lượng.
Nguyễn Thanh Tuấn
Phạm Anh Khoa Page 5
ĐỒ ÁN TỰ ĐỘNG HÓA SẢN XUẤT GV.VÕ ANH HUY
Hình 1.4 Mô hình cấp phôi rung.

Nguyễn Thanh Tuấn
Phạm Anh Khoa Page 6
ĐỒ ÁN TỰ ĐỘNG HÓA SẢN XUẤT GV.VÕ ANH HUY
Hình 1.5 Ứng dụng mô hình cấp phôi rung.
Phương án 2: Dùng băng tải nghiên
Nguyên lý: Sau khi nghiên cứu, giải pháp đưa ra là dùng thiết bị cấp nắp chai trên
nguyên tắc băng tải gàu tải: Dùng các gàu gắn trên băng tải chuyển động mang nắp
chai từ thùng chứa nắp đặt dưới nền lên thùng chứa nắp của máy đóng nắp.
Ưu điểm:
Của thiết bị này là tương đối đơn giản dễ chế tạo.
Phôi nắp được đổ vào thùng ở dưới thấp nên thuận tiện hơn.
Năng suất cao.
Vấn đề cốt lõi của phương án là bài toán giải quyết việc ứng dụng tự động hóa vào
thực tế sản xuất cũng như cách làm thế nào để không gây kẹt, hỏng nắp.

Hình 1.6 Mô hình thực tế của phương pháp băng tải gàu.
Thiết bị cắp nắp chai dựa trên nguyên lý băng tải gàu như sau:
Nguyễn Thanh Tuấn
Phạm Anh Khoa Page 7
ĐỒ ÁN TỰ ĐỘNG HÓA SẢN XUẤT GV.VÕ ANH HUY
Khi động cơ truyền động quay lu lô (2). Do ma sát sẽ làm cho băng tải (3) chuyển
động. Trên băng tải có gắn các thanh (4) sẽ vận chuyển nắp từ bồn nắp (5) lên đổ vào
máng hứng (6). Phương pháp này cũng dựa trên nguyên lý cân bằng trọng lượng: nếu
nắp chai nằm sấp thì khi băng tải đi lên sẽ làm cho trọng tâm của nắp chai nằm ngoài
tạo môment làm cho nắp chai rớt xuống.
Phương pháp này đã được Ban Giám đốc Công ty Bia Quy Nhơn đã cho tiến hành gia
công và lắp đặt các thiết bị theo giải pháp kỹ thuật trên và đưa vào phục vụ sản xuất từ
tháng 5/2002. Từ đó đến nay hệ thống này hoạt động tốt và đem lại hiệu quả thiết
thực.
Phương án 3: Dùng đĩa nghiên

Đây là phương pháp được sử dụng nhiều nhất hiện nay.
Nguyễn Thanh Tuấn
Phạm Anh Khoa Page 8
ĐỒ ÁN TỰ ĐỘNG HÓA SẢN XUẤT GV.VÕ ANH HUY
Hình 1.7 Mô hình phương pháp dùng đĩa nghiên.
Ưu điểm:
Năng suất cao.
Được sử dụng rộng rãi nên tài liệu, thông tin khá đầy đủ.
Khuyết điểm:
Phôi phải đổ vào thùng trên cao nên bất tiện.
1.3.2 Hệ thống đóng nắp chai tự động:
Phương án 1: Sử dụng đầu đóng dẫn động bằng cam. Kết cấu đầu đóng nắp chai.
Nguyễn Thanh Tuấn
Phạm Anh Khoa Page 9
ĐỒ ÁN TỰ ĐỘNG HÓA SẢN XUẤT GV.VÕ ANH HUY
1.Miệng đầu đóng.
2.Khuôn đóng nắp.
3.Chày giữ nắp.
4. Bạc hãm và dẫn hướng chày.
5.Bulong lục giác.
6.Bạc dẫn hướng ống đẩy.
7. Bulong chống xoay ống đẩy.
8.Đệm chặng lò xo
9.Lò xo đẩy chày ép nắp
10.Ống đẩy
11.Lò xo đóng nắp.
12.Bu long.
13.Chén chặn lò xo.
14.Vú mỡ bôi trơn ổ bi đóng.
15. Vú mỡ bôi trơn ổ bi treo.

16. Ổ bi kim.
17.Trục ổ bi kim.
18.Ổ đũa trụ dài.
19.Lỗ định vị trục.
20.Trục ổ bi.
21.Thân piston đóng nắp.
22.Bulong hãm.
23.Lỗ lắp chốt định vị đầu đóng.
Nguyễn Thanh Tuấn
Phạm Anh Khoa Page 10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
13
14
15
16
17
18
19
20
21

22
23
12
Nguyên lý làm việc: Khi chai đã vào vị trí của đầu đóng nắp chai, nắp bia đã tiếp
xúc với miệng chai thì cụm đầu đóng đi xuống theo hành trình làm việc của cam dẫn
hướng, khi đó lò xo (9) bị chày (3) nén lại (do phản lực ở miệng chai tác dụng lên
chày đóng lớn hơn lực bung của lò xo (9)) làm cho nắp ở miệng chai tiếp xúc trực tiếp
vào khuôn đóng (1). Cụm đầu đóng tiếp tục đi xuống nhưng khuông đóng (1) bị nắp
và miệng chai giữ lại, thông qua chi tiết (7) làm lò xo (11) hơi bị nén lại. Khi lực nén
của lò xo (11) thắng được lực chống biến dạng của vành nắp thì khuôn (1) sẽ không bị
đẩy lên nữa mà sẽ đi xuống cùng cụm piston làm bóp chặt nắp vào miệng chai theo
hình dạng của khuôn đóng. Đây cũng là lúc kết thúc hành trình đi xuống của cụm
piston đóng nắp.
Khi kết thúc hành trình đi xuống của cụm piston (nắp chai đã được đóng kín theo
yêu cầu kỹ thuật), cụm piston đóng nắp bắt đầu đi lên theo hành trình của cam dẫn, ổ
bi (16) tiếp xúc mặt trên của cam và nâng cụm piston đóng nắp đi lên, lò xo (11)bung
ra đẩy cốt trong và khuôn đóng (7) về vị trí cũ, lúc đó lò xo (9) bung ra tạo một lực lên
chày (3) để đẩy nắp (đã được đóng kín vào chai) ra khỏi khuôn đóng (1) và được đưa
ra xích tải.
Lò xo (9) có tác dụng giảm chấn giữa miệng chai và nắp đồng thời làm nhiệm vụ
đẩy chair a khỏi khuôn đóng khi cụm piston đi xuống đóng nắp không làm bể miệng
chai và tạo lực ép lên côn đóng (1) để làm biến dạng vành nắp.
Khuyết điểm: cơ cấu phức tạp
Phương án 2: đóng nắp chai dẫn động bằng hệ thống khí nén.
Cấu tạo đầu đóng nắp tương tự như trên nhưng thay vào đó là hệ được dẫn động
bằng hệ thống khí nén vì vậy kết cấu nhỏ gọn hơn.
Do nắp chai là chi tiết tiêu chuẩn nên hệ thống đóng nắp bằng khí nén cũng tiêu
chuẩn và được bán toàn bộ vì vậy giảm thời gian gia công, thay thế sửa chữa.
1.3.3Hệ thống cấp chai tự động: thường chai được tải bằng hệ thống băng xích tải
với các thanh hai bên đảm bảo chai vào đúng vị trí làm việc.

Tổng quát: qua tìm hiểu và phân tích ưu nhược điểm của từng phương án nhóm em
chọn phương án thiết kế gồm:
1. Hệ thống cấp nắp chai theo kiểu băng tải.
2. Hệ thống đóng nắp chai tự động dẫn động bằng khí nén.
3. Hệ thống xích tải cấp chai tự động.
1.4 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động:
Nguyên lý hoạt động:
Chai được băng tải vận chuyển vào cơ cấu đóng nắp chai, được sao gạt đưa vào vị
trí đóng nắp chai.
Nắp được định hướng bằng cơ cấu băng xích tải và vận chuyển trong máng dẫn và
đặt vào miệng chai trước khi vào vị trí đóng nắp.
Khi chai vào vị trí đóng nắp với nắp chai được định vị trên miệng chai, đầu đóng đi
xuống vuốt nắp chai, làm cho nắp chai ôm sát vào miệng chai. Sau đó chai được
BĂNG
TẢI
saogạt đưa ra ngoài băng tải để tiếp tục quy trình tiếp theo.CHƯƠNG II:
TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CẤP NẮP CHAI
2.1 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CẤP PHÔI DẠNG XÍCH TẢI
2.1.1 Số liệu thiết kế:
• Hệ dẫn động băng xích tải gồm:
1- Động cơ điện
2- Bộ truyền xích
3- Hộp giảm tốc gắn liền với động cơ.
4- Xích tải
• Yêu cầu của hệ thống cấp phôi:
- Năng suất: 10000 chai/8h = 10000 nắp chai/8h
- Nắp chai có kích thước như hình vẽ:
2.1.2 Tính toán hệ thống xích tải:
Theo [CT trang 129,1], ta có:
- Năng suất cấp phôi thực tế: Q

tt
= 0.6 yv/zL = 10000 nắp/8h
- Năng suất lý thuyết: Q
lt
= yv/zL ≥ 10000/0.6 = 16666.67 nắp/8h
1 /1.728nap s
⇒
→ cứ 1s, hệ thống phải cấp 0.6 nắp
G
O
X
Y
6
3.7
32.56
R1.7
R165
27.17
Trong đó:
+ v: vận tốc xích tải
+ y: chiều dài của một thanh tải gắn trên xích tải
+ L: chiều dài chi tiết
+D: chiều cao chi tiết
+z : khoảng cách giữa hai đường rãnh
+ 0.6: hiệu suất của hệ thống cấp phôi dạng xích tải đứng
Vậy vận tốc nhỏ nhất của xích tải v
min
= 0.03 m/s
Tìm vận tốc lớn nhất của xích tải:
Tra [Đồ thị trang 494, 1]

Xich tai
z
y
Nap chai
Thanh tai
Hop giam toc
Dong co
Bo truyen xich
Thung phoi
Thanh gat
0.6
0.6 0.6 200 32.6
0.03 /
130
lt
yv
Q
zL
zL
v m s
y
⇒ = ≥
× × ×
⇒ ≥ = ≈
Với số lượng nắp tối đa trên thanh tải = y/L = 130/32.6 ≈ 4 nắp
Ta suy ra vận tốc lớn nhất của băng tải: v
max
≈ 0.25 m/s
Vậy vận tốc giới hạn của xích tải là
0.03 ≤ v ≤ 0.25 m/s

Ta tiến hành tính toán thiết kế cho băng tải quay với vận tốc v = 0.2 m/s
Tìm lực vòng trên xích tải:
- Giả sử xích tải vuông góc với mặt sàn
- Cho chiều cao xích tải sơ bộ H = 2000
+ Với z = 200
→ Số thanh tải có trên một mặt xích tải: n
thanh
= 2000/200 = 10 thanh
- Ta tiến hành tính toán cho băng tải làm việc ở chế độ tải lớn nhất, tức là:
+ Mỗi thanh mang 4 nắp
+Băng tải thẳng đứng với mặt sàn
Ta có:
+ Khối lượng mỗi nắp chai: m = 0.002 kg
+ Khối lượng mỗi thanh tải: cho m
thanh
= 0.014kg
+ Khối lượng mỗi bản xích: m
xích
= 0.212 kg
Vậy khối lượng tổng cộng tạo lực vòng xích tải:
M = 4m×10+10 m
thanh
+(2000/38.1)× m
xích

= 4×0.002×10+10×0.014+(2000/38.1)× 0.212 = 11.35kg
Lực ma sát của dây xích và khay trượt: F
msbx
Giả sử:
+ Khay trượt làm bằng nhôm hợp kim, tra [Bảng 5.1, trang 138, 1] ta có hệ số ma sát là 0.353

+ Góc nghiêng lớn nhất của băng tải là 90
+ Số mắt xích theo thiết kế là 89
→ F
msbx
= µmg×89 = 0.353×0.212×9.81×89 = 65.34 N
Lực vòng trên xích tải lấy gần đúng là F ≈ 11.35×9.81 + 65.34 = 176.68 N
Chọn lực vòng F = 200 N
Chú thích: 1_xích tải; 2_bộ truyền xích; 3_động cơ; 4_hộp giảm tốc
1
2
4
3
• Số liệu thiết kế:
- Lực vòng trên xích tải: F(N) = 200
- Vận tốc xích tải v(m/s) = 0.2
- Số răng đĩa xích tải dẫn z(răng) = 21
- Bước xích tải p(mm) = 38.1
- Thời gian phục vụ L(năm) = 6
- Quay một chiều, làm việc hai ca, tải va đập nhẹ (1 năm làm việc 300 ngày, 1 ca làm việc 8
giờ)
- Chế độ tải: do trọng lượng của nắp khá nhẹ nên ta xem như chế độ tải là tĩnh
2.2 XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ VÀ PHÂN PHỐI TỈ SỐ TRUYỀN CHO HỆ
THỐNG TRUYỀN ĐỘNG:
2.2.1 Chọn động cơ điện:
Dựa vào hình 1 (Sơ đồ tải trọng), ta xác định động cơ làm việc trong trường hợp tải
trọng tĩnh. Khi đó, công suất tính toán sẽ là:
 Hiệu suất chung của hệ thống truyền động:
T
1
T

T
t
s
200 0.2
0,04 40
1000 1000
t lv
lv
P P
Fv
P kW W
=
×
= = = =
3
. .
ch hgt x ol
η η η η
=
 Tra bảng 2.3/19 – [1]
=0,96 : hiệu suất hộp giảm tốc bánh răng được che kín
=0,95 : hiệu suất bộ truyền xích
=0,99 : hiệu suất ổ lăn
 Công suất cần thiết trên trục động cơ:
 Phân phối tỉ số truyền:
• Số vòng quay của trục máy công tác (trục xích tải)
vòng/phút
 Trong đó:
v - vận tốc xích tải = 0.2 m/s
z - số răng đĩa xích tải = 21 răng

p - bước xích = 38.1 mm
• Tỉ số truyền toàn bộ u
t
của hệ thống dẫn động
 Dựa vào catalog của Oriental Motor
Hộp giảm tốc có u
hgt
= 3÷180
Truyền động xích có u
x
= 1÷5
Chọn sơ bộ tỷ số truyền : u
t
= 50
Số vòng quay sơ bộ của động cơ:
vòng/phút
Chọn động cơ: theo Catalog của Oriental Motor
br
η
x
η
ol
η
3
0.96 0.95 0.99 0.88
ch
η
⇒ = × × =
40
45.5

0,88
t
ct
P
P W
η
= = =
60000. 60000 0.2
14.998 15
. 21 38.1
lv
v
n
z p
×
= = = ≈
×
t x hgt
u u u
= ×
(3 900)
t
u≤ ≤
⇒
. 15 50 750
sb lv t
n u u
= = × =
• Yêu cầu: động cơ được chọn phải có công suất P
dc

và số vòng quay đồng bộ thỏa mãn điều
kiện:
•
BẢNG THÔNG SỐ KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ ĐIỆN
Kiểu động cơ 5RK60GE-AW2MJ
n 1200 vòng/phút
Công suất 60 W
Tần số 50 Hz
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật động cơ điện
 Công suất trên các trục:
o Trục HGT :
o Trục ĐC :
I. Phân tích nắp chai:
- Vì nắp chai là dạng phôi tấm được dập định hình sẵn một kiểu dáng trước khi đóng vào chai.
Do hình dáng đặc biệt và có nhiều đường cong phức tạp nên việc tính toán khối lượng, thể
tích và trọng tâm theo phương pháp nội suy thông thường là khó khăn và không chính xác.
- Để đơn giản hóa các quá trình trên và đảm bảo độ chính xác trong tính toán, chúng ta tiến
hành thiết kế nắp chai một cách chính xác và thừa hưởng sự thông minh của các phần mềm
3D, cụ thể là Autodesk Inventor để tìm ra được các thông số : trọng lượng, thể tích và trọng
tâm của nắp chai một cách có cơ sở.

40
750 /
dc ct
db sb
P P W
n n v ph
≥ =



=

;
40
40.4
0,99
lv
hgt
ol
P
P W
η
= =
;
2
40.4
45.5
0.99 0.96
hgt
dc
ol hgt
P
P W
η η
= =
×
;
2.2.2 Các thông số của nắp chai:
• Khối lượng: 0.002kg
• Vật liệu: thiếc không gỉ có trọng lượng riêng là 8.080g/cm

3
• Thể tích: 286.520 mm
3
• Trọng tâm:
X= -0.016 mm ≈ 0.0 mm
Y= 3.729 mm ≈ 3.7 mm
Z= -0.004 mm ≈ 0.0 mm
2.2.3 Momen gây ra bởi trọng tâm của nắp trong các trạng thái:
Góc nghiêng của băng tải và thanh tải là bao nhiêu để chi tiết được nằm vững trên thanh tải ?
Trạng thái của nắp và momen gây ra bởi trọng lượng của nó
Các trạng thái có thể xảy ra của nắp chai trên băng tải đứng:
Hình 1 Hình 2 Hình 3 Hình 4
Ta mong muốn chiều của nắp phải phải có chiều như hình 2 và trạng thái như hình 4, vì thế
việc thiết kế thanh tải nắp từ dưới phễu lên phải có kết cấu loại được trạng thái của nắp ở hình 1
và 3
G
O
X
Y
G
O
X
Y
G
O
X
Y
G
O
X

Y
Tính góc xoay của băng tải để nắp bị tóm và ổn định trong quá trình cấp phôi
Khi nắp ở trạng thái như hình 2, nắp luôn bị mất cân bằng và có xu hướng quay về 01 bên
(bên phải như hình vẽ) theo phương của P
1

Mô men quay của nắp với tâm quay tại O
1
Trong đó:
: trọng lượng của nắp chiếu lên phương GP
1
L= 16.5 : khoảng cách từ tâm quay đến trọng tâm của nắp
α= 9
0
: góc hợp bởi phương thẳng đứng và GO
1
Vậy momen quay nắp
Để nắp không bị mất cân bằng và ổn định trên băng tải , ta phải quay băng tải một góc ≥ α
2.49
1
6
.
4
7
O
1
P
P
1
9

°
G
O
X
Y
1nap
M P L
= ×
1
sinP P
α
= ×
0.002 9.81 0.02P mg N= = × ;
1
0.02 16.5 0.33
nap
M P L Nmm
= × = × =