Thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CÂN
ĐỊNH LƯỢNG VÀ ĐÓNG BAO TỰ ĐỘNG

Người hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:

ThS. NGUYỄN THẾ TRANH
NGUYỄN XUÂN ĐỊNH
NGUYỄN HỮU BẢO

Đà Nẵng, 2019


TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Tên đề tài:
SV thực hiện:

Thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động.
Nguyễn Hữu Bảo
MSSV: 101150119
Lớp: 15CDT2;

Nguyễn Xuân Định
MSSV: 101150202
Lớp: 15CDT2
GV hướng dẫn: Nguyễn Thế Tranh
GV duyệt:
TS. Đặng Phước Vinh
Nội dung đã làm được bao gồm các vấn đề sau:
1. Nhu cầu thực tế của đề tài
 Việt Nam là một nước nông nghiệp với rất nhiều sản phẩm nông nghiệp được
xuất khẩu với sản lượng cao như cà phê, gạo, … Do vậy, như cầu định lượng
trong các nhà máy là vô cùng quan trọng. Khâu định lượng giúp xác định chính
xác khối lượng nguyên vật liệu, thành phẩm và bán thành phẩm trong sản xuất.
Các thiết bị định lượng có mặt hầu hết trong các khâu của hệ thống, công đoạn
sản xuất: cung ứng tồn trữ nguyên vật liệu, cấp liệu cho từng giai đoạn, cân và
đóng gói sản phẩm…
 Nhận thấy sản lượng nơng sản hằng năm lớn như vậy và nhu cầu về định lượng
rất lớn. Vì vậy, nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài “ Thiết kế và chế
tạo hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động”.

C
C

R
L
.
T

U
D

2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài tốt nghiệp
 Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động ;
Nghiên cứu và ứng dụng lập trình vi điều khiển, PLC vào lĩnh vực nông
nghiệp;
 Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm thiết kế cơ khí và điện vào thiết kế và
chế tạo mơ hình;
 Xây dựng hệ thống cho phép lựa chọn các thông số theo yêu cầu thực tiễn với
độ chính xác cho phép;
 Thiết kế mạch điều khiển;
 Nghiên cứu và lập trình giao diện, giám sát màn hình;
3. Nội dung đề tài đã được thực hiện
 Thuyết minh đề tài;
 7 bản vẽ A0;
 Mơ hình.
4. Kết quả đạt được
 Thiết kế và chế tạo mơ hình;
 Thiết kế và thi cơng mạch điều khiển, tủ điện;


 Giao diện màn hình và giám sát hệ thống.

Đà Nẵng, ngày 18 tháng 12 năm 2019
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Hữu Bảo

Nguyễn Xuân Định

C
C

U
D

R
L
.
T


LỜI NĨI ĐẦU
Trong q trình sản xuất ở các nhà máy, khu công nghiệp tập trung, khâu định
lượng vô cùng quan trọng. Khâu định lượng giúp xác định chính xác khối lượng
nguyên vật liệu, thành phẩm và bán thành phẩm. Các thiết bị định lượng có mặt trong
hầu hết các khâu trong hệ thống, công đoạn sản xuất: cung ứng tồn trữ nguyên vật liệu,
cấp liệu cho từng giai đoạn, cân và đóng gói sản phẩm …
Tự động điều khiển giám sát các q trình sản xuất nói chung và cân định lượng nói
riêng lầ một trong những ưu tiên hàng đầu của các doanh nghiệp nhằm nâng cao năng
suất, hạ giá thành sản phẩm, giảm chi phí hoạt động, tăng cường khả năng cạnh tranh
trong quá trình hội nhập và phát triển hiện nay. Vì vậy, chúng em quyết định thực hiện
đề tài “ Thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động”cho đồ
án tốt nghiệp của mình.
Qua thời gian học tập tại Khoa Cơ khí - Trường ĐHBK Đà Nẵng, dưới sự tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ của các Thầy trong khoa cũng như sự nổ lực của bản thân, chúng

C
C

R
L
.

T

em đã tích lũy được một số kiến thức. Vận dụng những kiến thức đã học và tìm hiểu
các kiến thức bên ngoài, chúng em áp dụng vào đồ án tốt nghiệp của mình.
Việc thực hiện đồ án hết sức khó khăn, nhiều vấn đề nan giải. Tuy nhiên, dưới sự
giúp đỡ và hướng dẫn tận tình từ Thầy Nguyễn Thế Tranh cũng như các Thầy trong

U
D

khoa đã giúp chúng em hoàn thành đồ án này. Nhưng với kiến thức còn hạn hẹp và
chưa có kinh nghiệm trong tính tốn , gia cơng thực tế nên khó tránh khỏi những sai
sót. Kính mong sự góp ý từ các Thầy để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn nữa.
Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn các Thầy trong Khoa Cơ khí - Trường
ĐHBK Đà Nẵng, đặc biệt là Thầy Nguyễn Thế Tranh đã giúp đỡ chúng em trong suốt
quá trình thực hiện đồ án này.
Đà Nẵng, ngày 18 tháng 12 năm 2019
Sinh viên

Nguyễn Hữu Bảo

i

Nguyễn Xuân Định


CAM ĐOAN
Kính gửi Khoa Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng.
Chúng em xin cam đoan đồ án tuân thủ các quy định về liêm chính học thuật:
 Khơng sử dụng hình thức gian dối trong việc trình bày, thể hiện các hoạt động học

thuật hoặc kết quả từ quá trình học thuật của mình;
 Không bịa đặt, đưa ra các thông tin sai lệch so với nguồn trích dẫn;
 Khơng ngụy tạo số liệu trong q trình khảo sát, thí nghiệm, thực hành, thực tập
hoặc hoạt động học thuật khác;
 Không đạo văn, sử dụng từ vựng, cách diễn đạt của người khác như thể của mình,
trình bày, sao chép, dịch đoạn hoặc nêu ý tưởng của người khác mà khơng trích
dẫn.
 Khơng tự đạo văn, sử dụng lại thông tin nghiên cứu của mình mà khơng có trích
dẫn hoặc phân mãnh thơng tin về kết quả nghiên cứu của mình để cơng bố trên
nhiều ấn phẩm .

C
C

R
L
.
T

U
D

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hữu Bảo

ii

Nguyễn Xuân Định

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ i
CAM ĐOAN .................................................................................................................. ii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG CÂN ĐÓNG BAO TỰ ĐỘNG ............ 1
1.1. Nhu cầu sử dụng hệ thống cân đóng bao tự động trong sản xuất ................. 1
1.2. Các hệ thống cân đóng bao tự động trong thực tế .......................................... 3
1.2.1. Hệ thống cân đóng bao bột ............................................................................ 3
1.2.2. Hệ thống cân đóng bao JUMBO ................................................................... 4
1.2.3. Hệ thống cân đóng bao phân bón .................................................................. 5
1.2.4. Hệ thống cân đóng bao dạng hạt. .................................................................. 5
1.3. Phương hướng phát triển của hệ thống ........................................................... 6

C
C

1.4. Hướng nghiên cứu đề tài ................................................................................... 6
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH HỆ THỐNG THIẾT KẾ.......................... 7
2.1. Nhiệm vụ của hệ thống ...................................................................................... 7
2.1.1. Nhiệm vụ ........................................................................................................ 7
2.1.2. Yêu cầu của hệ thống ..................................................................................... 7
2.1.2. Phương án thiết kế ......................................................................................... 7

R
L
.
T

U

D

2.1.3. Sơ đồ công nghệ ............................................................................................. 9
2.1.4. Nguyên lí hoạt động ....................................................................................... 9
2.2. Các cơ cấu, thành phần trong hệ thống ......................................................... 10
2.2.1. Cơ cấu cấp bao ............................................................................................ 10
2.2.2. Cơ cấu định lượng ....................................................................................... 10
2.2.3. Băng tải ........................................................................................................ 10
2.2.4. Cơ cấu may bao ........................................................................................... 10
2.2.5. Đếm .............................................................................................................. 10
2.2.6. Hệ thống giám sát ........................................................................................ 10
2.3. Một số thiết bị cơ cấu chấp hành trong hệ thống .......................................... 11
2.3.1. Loadcell Z .................................................................................................... 11
2.3.2. Van điện từ ................................................................................................... 13
2.3.3. Van chân khơng ........................................................................................... 13
2.3.4. Xilanh khí nén .............................................................................................. 15
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ CÁC THÀNH PHẦN HỆ THỐNG ....... 16
3.1. Thiết kế hệ thống cân định lượng ................................................................... 16
3.2. Thiết kế hệ thống băng tải ............................................................................... 18
iii


3.2.1. Thiết kế khung băng tải ............................................................................... 18
3.2.2. Thiết kế cơ cấu căng đai cho băng tải. ........................................................ 19
3.3. Thiết kế các cơ cấu ........................................................................................... 20
3.3.1. Thiết kế cơ cấu mở miệng bao ..................................................................... 20
3.3.2. Thiết kế cơ cấu gắp bao ............................................................................... 22
3.3.3. Thiết kế cơ cấu kẹp bao ............................................................................... 23
3.3.4. Thiết kế cơ cấu mở họng phễu cân .............................................................. 25
3.3.5. Thiết kế cơ cấu mở họng phễu chứa ............................................................ 26

3.3.6. Thiết kế cơ cấu nâng hạ - kẹp miệng bao .................................................... 28
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ........................................... 30
4.1. Giới thiệu lập trình vi điều khiển và lập trình PLC ..................................... 30
4.1.1. Vi điều khiển ................................................................................................ 30
4.1.2. PLC .............................................................................................................. 30
4.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển....................................................................... 32

C
C

4.3. Giới thiệu các phần tử và linh kiện trong mạch............................................ 33
4.3.1. Arduino Nano .............................................................................................. 33
4.3.2. Module HX711 ............................................................................................. 34
4.3.3. Module MAX RS485 .................................................................................... 34
4.3.4. Module ổn áp LM2596 ................................................................................ 35

R
L
.
T

U
D

4.3.5. Cổng truyền thông RS485 ............................................................................ 35
4.4. Giới thiệu sơ lược các phần mềm sử dụng..................................................... 36
4.4.1. Phần mềm thiết kế mạch .............................................................................. 36
4.4.2. Arduino IDE ................................................................................................ 36
4.4.3. Step7 MicroWIN .......................................................................................... 37
4.4.4. HMIWare Kinco .......................................................................................... 37

4.4.5. SolidWorks ................................................................................................... 37
4.5. Thiết kế và thi công mạch ............................................................................... 38
4.5.1. Sơ đồ nguyên lí ............................................................................................ 38
4.5.2. Ngun lí hoạt động..................................................................................... 38
4.5.3. Thi cơng mạch ............................................................................................. 39
4.6. Thiết kế tủ điện................................................................................................. 39
4.6.1. Mô tả tủ điện ................................................................................................ 39
4.6.2. Thi công lắp đặt ........................................................................................... 44
CHƯƠNG 5: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ............................................................... 45
5.1. Lập trình Arduino............................................................................................ 45
5.2. Lập trình PLC .................................................................................................. 45
iv


5.2.1. Đấu nối cho PLC ......................................................................................... 45
5.2.2. Giản đồ thời gian. ........................................................................................ 46
5.2.3. Lập trình ...................................................................................................... 46
5.3. Lập trình giám sát hệ thống bằng phần mềm Kinco Eview ......................... 46
KẾT LUẬN ................................................................................................................. 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 49

C
C

R
L
.
T

U

D

v


DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Hình 1. 1. Hệ thống cân định lượng đóng bao gạo ......................................................... 1
Hình 1. 2. Hệ thống định lượng đóng bao ngơ. ............................................................... 2
Hình 1. 3. Máy đóng bao xi măng 8 vịi phun. ................................................................ 2
Hình 1. 4. Máy đóng gói bột cà phê dùng động cơ servo. .............................................. 3
Hình 1. 5. Hệ thống cân đóng bao bột ............................................................................. 4
Hình 1. 6. Hệ thống cân đóng bao Jumbo. ...................................................................... 4
Hình 1. 7. Định lượng phân bón bằng hệ thống cân băng tải.......................................... 5
Hình 1. 8. Hệ thống cân đóng bao gạo ............................................................................ 6
Hình 2. 1. Sơ đồ cơng nghệ. ............................................................................................ 9
Hình 2. 2. Thành phần của Loadcell ............................................................................. 11
Hình 2. 3. Ngun lí hoạt động của Loadcell ............................................................... 11
Hình 2. 4. Hình ảnh Loadcell Z và Loadcell thanh. ...................................................... 12
Hình 2. 5. Loadcell MAVIN NS6 – 50 kg .................................................................... 12
Hình 2. 6. Van điện từ. .................................................................................................. 13
Hình 2. 7. Kí hiệu van điện từ 5/2. ................................................................................ 13

C
C

R
L
.
T

U
D

Hình 2. 8. Van chân khơng ZK của hãng STNC. .......................................................... 14
Hình 2. 9. Đầu hút chân khơng...................................................................................... 14
Hình 2. 10. Xilanh khí nén. ........................................................................................... 15
Hình 2. 11. Cấu tạo xilanh khí nén. ............................................................................... 15
Hình 3. 1. Mơ hình hệ thống. ........................................................................................ 16
Hình 3. 2. Bao đóng gạo. ............................................................................................... 17
Hình 3. 3. Sơ đồ tính tốn băng tải. ............................................................................... 18
Hình 3. 4. Khung băng tải. ............................................................................................ 19
Hình 3. 5. Băng tải được thiết kế trên Solidworks. ....................................................... 19
Hình 3. . Cơ cấu căng đai. ........................................................................................... 20
Hình 3. 7. Cơ cấu mở miệng bao................................................................................... 21
Hình 3. 8. Sơ đồ tính tốn cho xilanh. ........................................................................... 21
Hình 3. 9. Cơ cấu gắp bao. ............................................................................................ 22
Hình 3. 10. Sơ đồ tính tốn cho xilanh. ......................................................................... 23
Hình 3. 11. Cơ cấu kẹp bao. .......................................................................................... 24
Hình 3. 12. Sơ đồ tính tốn lực đẩy xilanh.................................................................... 24
vi


Hình 3. 13. Cơ cấu đóng mở phễu cân. .........................................................................25
Hình 3. 14. Sơ đồ tính tốn cho xilanh. .........................................................................26
Hình 3. 15. Cơ cấu đóng mở họng phễu chứa. .............................................................. 27
Hình 3. 1 . Sơ đồ tính tốn cho xilanh. .........................................................................27
Hình 3. 17. Cơ cấu nâng hạ - kẹp miệng bao. ............................................................... 28
Hình 3. 18. Sơ đồ tính tốn cho xilanh. .........................................................................28
Hình 4. 1. Ví dụ về đầu vào và đầu ra của PLC. ........................................................... 30

Hình 4. 2. Cấu trúc của một PLC. .................................................................................31
Hình 4. 3. Sơ đồ khối của hệ thống. ..............................................................................32
Hình 4. 4. Board Arduino Nano. ...................................................................................33
Hình 4. 5. Module HX711. ............................................................................................ 34
Hình 4. 6. Module MAX RS485. ..................................................................................34
Hình 4. 7. Module ổn áp LM2596. ................................................................................35
Hình 4. 8. Giới thiệu phần mềm Solidworks. ................................................................ 37
Hình 4. 9. Sơ đồ ngun lí mạch điều khiển. ................................................................ 38
Hình 4. 10. Sơ đồ mạch in của mạch điều khiển. .......................................................... 39
Hình 4. 11. Mạch điều khiển sau khi thi cơng. .............................................................. 39
Hình 4. 12. PLC S7 - 200 .............................................................................................. 39

C
C

R
L
.
T

U
D

Hình 4. 13. Truyền dữ liệu PC – PLC, PLC – PLC. .....................................................40
Hình 4. 14. Cấu trúc phần cứng của một PLC............................................................... 40
Hình 4. 15. Mạch điều khiển. ........................................................................................41
Hình 4. 16. Relay ở trạng thái mở (chưa kích). ............................................................. 42
Hình 4. 17. Relay ở trạng thái đóng. .............................................................................42
Hình 4. 18. Relay 24VDC/5A/8 chân của OMRON. ....................................................43
Hình 4. 19. Cơng tắc xoay và nút nhấn. ........................................................................43

Hình 4. 20. Màn hình cảm ứng Kinco Eview ................................................................ 44
Hình 4. 21. Mặt trong tủ điện. .......................................................................................44
Hình 5. 1. Đấu nối cho PLC. .........................................................................................45
Hình 5. 2. Giản đồ thời gian. .........................................................................................46
Hình 5. 3. Giao diện màn hình. .....................................................................................47
Hình 5. 4. Giao diện màn hình giám sát. .......................................................................47
Bảng 2. 1. Catalog đầu hút chân không. ........................................................................14

vii


Bảng 4. 1. Bảng thông số kĩ thuật Arduino Nano. ........................................................ 33
Bảng 4. 2. Bảng thông số kĩ thuật của relay trung gian 24V của hãng OMRON. ........ 43

C
C

R
L
.
T

U
D

viii


Thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động

C
C

R
L
.
T

Hình 1. 2. Hệ thống định lượng đóng bao ngơ.
Trong ngành xây dựng, hệ thống cân đóng bao được dùng để phối trộn định lượng
đóng bao các mác xi măng.

U
D

Hình 1. 3. Máy đóng bao xi măng 8 vòi phun.
Trong chế biến thực phẩm, hệ thống cân đóng bao được ứng dụng để định lượng và
đóng gói bột cà phê, bột mì, đường, các loại quả sấy khô …
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hữu Bảo
Nguyễn Xuân Định

Hướng dẫn: Nguyễn Thế Tranh

2


Thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động

C
C

R
L
.
T

U
D

Hình 1. 4. Máy đóng gói bột cà phê dùng động cơ servo.
1.2. Các hệ thống cân đóng bao tự động trong thực tế
1.2.1. Hệ thống cân đóng bao bột
Đối tượng của hệ thống là bột cám, bột mì, các loại bột mịn, bột cơng nghiệp (bột
cá, bột gà, bột heo …)….Cân đóng bao bột được cấp liệu bởi vít tải và định lượng
bằng hệ thống vít tải định lượng. Hệ thống phễu cân gồm 1 phễu cân, có khả năng định
lượng 2 – 3 cấp độ. Đây là hệ thống chuyên dùng cho việc cân các nguyên liệu dạng
bột, nguyên liệu có độ tự chảy thấp.
Đối với hệ thống cân đóng bao bột sử dụng phương pháp xác định khối lượng sử
dụng loadcell. Đây là thiết bị phổ biến trong việc các khối lượng điện tử, đảm bảo tiếp
nhận và chuyển đổi giá trị khối lượng sang tín hiệu điện một cách trung thực và chính
xác cao, từ đó chuyển đổi cung cấp cho bộ chỉ thị một thơng số chính xác nhất.
Hệ thống điều khiển bằng PLC, đảm bảo hoạt động ổn định, dễ dàng thay đổi hoặc
nâng cấp.
Bộ chỉ thị và điều khiển: chuyên dùng cho hệ thống cân đóng bao tự động, hoạt
động ổn định trong môi trường công nghiệp, dễ dàng cài đặt và thay đổi các giá trị tùy
theo mục đích cân, sản phẩm cân, mức cân và các yêu cầu khác.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hữu Bảo
Nguyễn Xuân Định

Hướng dẫn: Nguyễn Thế Tranh

3


Thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động

C
C

R
L
.
T

Hình 1. 5. Hệ thống cân đóng bao bột

1.2.2. Hệ thống cân đóng bao JUMBO
Cân đóng bao Jumbo là một cái tên chung cho một dòng sản phẩm có cơng suất

U
D

đóng bao lớn, mỗi bao có thể nặng đến 500kg, 1 tấn, 2 tấn. Đây là một dịng sản phẩm
đặc thù, nó được sử dụng tại các nhà máy xi măng, nhà máy nghiền.

Hình 1. 6. Hệ thống cân đóng bao Jumbo.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hữu Bảo
Nguyễn Xuân Định

Hướng dẫn: Nguyễn Thế Tranh

4


Thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động

1.2.3. Hệ thống cân đóng bao phân bón
Phân bón có nhiều dạng: dạng hạt như phân đạm, lân; dạng bột mịn như phân lân,
phân vi sinh và hỗn hợp phân NPK…Vì vậy, trên thị trường cũng có 3 dạng cân đóng
bao phân bón: cân đóng bao phân bón dạng hạt, cân đóng bao phân bón dạng bột và
cân đóng bao phân NPK với 3 phễu chứa 3 loại phân và sẽ được trộn theo một tỉ lệ quy
định.

C
C

R
L
.
T

U
D

Hình 1. 7. Định lượng phân bón bằng hệ thống cân băng tải
1.2.4. Hệ thống cân đóng bao dạng hạt.
Cân đóng bao Marcus định lượng trực tiếp, nguyên liệu cân chảy trực tiếp xuống
phễu cân định lượng qua bằng các cửa cân định lượng, đảm bảo độ chính xác và năng
suất định lượng.
Cân đóng bao Marcus định lượng 2 – 3 cấp độ, tùy thuộc vào năng suất và độ chính

xác u cầu.
Cân đóng bao Marcus phù hợp với các nguyên liệu dạng hạt hoặc dạng bột tự chảy
được như cân đóng bao gạo, cân đóng bao đường, cân đóng bao cám viên, cân đóng
bao gia súc dạng viên, cân đóng bao cà phê, cân đóng bao nơng sản, …
Cân đóng bao Marcus áp dụng phương pháp xác định khối lượng: sử dụng cảm
biến lực loadcell, đảm bảo tiếp nhận và chuyển đổi giá trị khối lượng cân thành tín
hiệu điện một cách trung thực và chính xác cao.
Cân đóng bao Marcus sử dụng bộ chỉ thị và điều khiển chuyên dùng cho các hệ
thống cân đóng bao tự động hoạt động ổn định trong môi trường công nghiệp, dễ dàng
cài đặt và thay đổi giá trị tùy theo mục đích cân, mức cân và các yêu cầu khác.
Hệ thống cân đóng bao Marcus được điều khiển bằng PLC, đảm bảo hoạt động ổn
định và bền bỉ, dễ dàng thay đổi hoặc nâng cấp.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hữu Bảo
Nguyễn Xuân Định

Hướng dẫn: Nguyễn Thế Tranh

5


Thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động

C
C

R
L
.
T

U
D

Hình 1. 8. Hệ thống cân đóng bao gạo
1.3. Phương hướng phát triển của hệ thống
Trên thị trường Việt Nam hiện nay, đa số các hệ thống đóng bao cịn theo hình thức
bán tự động. Khâu lấy bao và đưa vào họng xả cũng như khâu may bao vẫn cịn do
con người thực hiện. Do đó, hướng hướng triển của hệ thống là tự động hóa hồn tồn,
từ khâu cấp liệu đến khâu đóng bao cho ra sản phẩm để phân phối, xuất khẩu …
1.4. Hướng nghiên cứu đề tài
Hiện nay, tại một số cơ sở sản xuất việc định lượng và đóng bao sản phẩm dạng hạt
cịn thực hiện theo phương pháp thủ cơng, một số cở sở được trang bị thiết bị điều
khiển tự động nhập ngoại có giá thành cao và khơng thực sự phù hợp đối với từng loại
sản phẩm cụ thể. Do đó, vấn đề tiếp cận, làm chủ, tự thiết kế, chế tạo các hệ thống điều
khiển và giám sát tự động của thiết bị là cần thiết và mang tính thực tiễn.
Đồ án này tập trung nghiên cứu về hệ thống cân định lượng và đóng bao gạo tự
động. Nghiên cứu về các cơ cấu để điều khiển hệ thống một cách tự động, giám sát
thiết bị định lượng và đóng bao tự động.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hữu Bảo
Nguyễn Xuân Định

Hướng dẫn: Nguyễn Thế Tranh

6


Thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH HỆ THỐNG THIẾT KẾ

2.1. Nhiệm vụ của hệ thống
2.1.1. Nhiệm vụ
 Hiện nay, sản lượng gạo, cà phê, hồ tiêu … ngày càng cao. Để giảm sức lao
động con người cũng như tăng năng suất, nhu cầu về định lượng đóng bao là rất
lớn.
 Trong đồ án này, nhóm tác giả thực hiện việc định lượng đóng bao gạo. Theo
như cầu sử dụng, gạo có thể đóng bao với nhiều khối lượng khác nhau. Giả định
với nhiệm vụ đóng bao loại 2 kg và 3 kg.
2.1.2. Yêu cầu của hệ thống
 Hệ thống hoạt động hoàn toàn tự động từ khâu định lượng đến khâu đóng bao

C
C

thành phẩm, cùng với đó là hệ thống giám sát hoạt động đáng tin cậy.
 Khi hệ thống hoạt động, gạo được cấp vào phễu chứa trung gian. Bao được đưa
vào họng phễu (nhờ cơ cấu gắp), cơ cấu kẹp bao sẽ tác động, bao được kẹp
chặt, các van điều khiển bắt đầu mở, gạo chảy vào bao. Khi đạt được trọng
lượng cài đặt, các van điều khiển lần lượt đóng, dừng việc cấp liệu vào bao, cơ
cấu kẹp thôi tác động, bao rơi xuống băng tải và được đưa đến vị trí may miệng

R
L
.
T

bao.

U
D

 Yêu cầu: Hệ thống đảm bảo cân đúng khối lượng cài đặt (trong giới hạn sai số
cho phép); hệ thống định lượng được khối lượng dưới 5kg và thay đổi được
khối lượng định lượng; hệ thống có sử dụng bộ hút chân khơng nên bao đảm
bảo có độ kín nhất định.
2.1.2. Phương án thiết kế
2.1.2.1. Phương án cấp liệu
 Phương án cấp liệu: do đối tượng cân có dạng hạt và hệ thống có độ cao nhất
định nên ta có thể thiết kế hệ thống gầu tải hoặc hệ thống băng tải nghiêng hoặc
băng tải đứng để cấp liệu vào phễu chứa.
 Để hệ thống đơn giản và liệu được cấp liên tục, ta chọn phương án cấp liệu
bằng băng tải nghiêng.
2.1.2.2. Phương án định lượng
Trong sản xuất thực phẩm, quá trình đo lường lượng nguyên liệu xác định, định lượng
những vật liệu bổ sung và thành phẩm có ý nghĩa quan trọng. Định lượng phải đảm
bảo tiến hành đúng các q trình cơng nghệ, cách pha trộn đã quy định, phân lượng
đúng và chính xác thành phẩm …
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hữu Bảo
Nguyễn Xuân Định

Hướng dẫn: Nguyễn Thế Tranh

7


Thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động

Q trình định lượng vật liệu rời thường tiến hành theo 2 cách:
 Định lượng liên tục: vật liệu rời được cung cấp liên tục và khơng đổi theo thời
gian. Có thể xác định lượng cung cấp bằng cách xác định thể tích hoặc khối

lượng vật liệu qua máy trong một đơn vị thời gian.
 Định lượng từng mẻ: phần lớn là quá trình cân tự động, khi đã nạp đủ lượng đã
định, hệ thống tự động sẽ đóng đường nạp liệu và tháo lượng sản phẩm trong
máy ra. Lượng cung cấp được xác định bằng thể tích hoặc khối lượng vật liệu
trong một mẻ cân.
Các kiểu định lượng:
 Vít định lượng: có độ chính xác trung bình, cấu tạo như một vít tải, thường có
kích thước nhỏ và khơng q dài. Khi vít định lượng quay với tốc độ không đổi,
lượng cung cấp cũng không thay đổi theo thời gian. Đê thay đổi lượng cung
cấp, thay đổi tốc độ quay của vít định lượng bằng bộ biến tốc vô cấp.
 Băng định lượng: cấu tạo giống băng tải vận chuyển nhưng ngắn hơn do chỉ
dùng để định lượng hơn là vận chuyển. Phễu chứa nguyên liệu được lắp trên
băng giúp cho việc cung cấp được đồng đều.
 Dĩa định lượng: là một đĩa quay nằm ngang, bên trên là phễu chứa vật liệu.
Trên mặt dĩa có thanh gạt cố định, động cơ điện và bộ giảm tốc được bố trí bên
dưới. Sản phẩm từ phễu chảy xuống dĩa quay và phần vật liệu tiếp xúc với

C
C

R
L
.
T

U
D

thanh gạt được lấy ra rơi xuống phía dưới. Lượng vật liệu định lượng được điều
chỉnh bằng cách dịch chuyển ống tiếp liệu di động phủ bên ngoài đoạn ống tháo

của phễu chứa hoặc thay đổi vị trí thanh gạt vào sâu hay lùi ra khỏi dĩa quay.
 Cân định lượng: Phễu cân được treo cùng với loadcell z thành một hệ thống
định lượng. Phương pháp định lượng này được dùng cho tất cả các sản phẩm
lớn nhỏ khác nhau, tùy thuộc vào nguyên liệu mà tốc độ định lượng nhanh hay
chậm. Định lượng chính xác hơn các phương pháp khác ( định lượng kiểu trục
vít, định lượng dạng bơm), sai số nhỏ và có thể sử dụng nhiều đầu cân giúp hệ
thống nhỏ gọn.
Q trình sản xuất địi hỏi tín liên tục, định lượng đạt độ chính xác cao. Vì vậy, hệ
thống này được định lượng theo phương pháp cân định lượng.
2.1.2.3. Phương pháp vận chuyển
Vận chuyển bằng băng tải, băng chuyền là phương pháp phổ biến trong công nghiệp.
Vận chuyển được hàng hóa, nguyên liệu ở mọi khoảng cách, giúp giải phóng sức lao
động, tiết kiệm thời gian dẫn đến năng suất vận chuyển tăng.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hữu Bảo
Nguyễn Xuân Định

Hướng dẫn: Nguyễn Thế Tranh

8


Thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động

2.1.3. Sơ đồ cơng nghệ

C
C

R

L
.
T

U
D

Hình 2. 1. Sơ đồ cơng nghệ.
2.1.4. Ngun lí hoạt động
 Nhấn khởi động: Băng tải chạy; tay bung ra và đang ở vị trí họng phễu cân; cơ
cấu nâng hạ dẫn hướng hạ xuống; họng phễu dưới và họng phễu trên đóng.
 Sau 3 giây: Mở miệng phễu trên, khi khối lượng định lượng gần đủ, đóng nửa
miệng phễu trên để chuyển sang chế độ xả chậm, đến khi đủ khối lượng, đóng
hồn tồn miệng phễu trên.
 Sau khi định lượng đủ khối lượng cài đặt: Bật khí hút, cơ cấu hút bao hoạt động
mở miệng bao ra. Tiếp theo, tay quay khép lại, quay xuống móc vào miệng bao
rồi bung ra để căng miệng bao  tắt dịng khí hút  quay tay quay lên đưa






miệng bao vào miệng xả gạo. Cơ cấu kẹp bao tác động, 2 xilanh kẹp bao cố
định vào miệng xả gạo của phễu cân.
Sau khi kẹp bao vào phễu: mở họng phễu dưới  chờ đến khi gạo hết  đóng
miệng phễu cân  cơ cấu dẫn hướng bắt đầu hoạt động  nhả kẹp bao.
Khi bao rơi xuống, băng tải sẽ dẫn bao gạo đến máy may để may bao.
Sau khi may bao, bao gạo đi qua cảm biến đếm để thống kê số lượng.
Nếu gạo phễu trên hết, còi báo kêu lên để cảnh báo.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hữu Bảo
Nguyễn Xuân Định

Hướng dẫn: Nguyễn Thế Tranh

9


Thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động

2.2. Các cơ cấu, thành phần trong hệ thống
2.2.1. Cơ cấu cấp bao
Việc cấp bao được thực hiện bởi 2 cơ cấu: Cơ cấu mở miệng bao và cơ cấu gắp bao.
 Cơ cấu mở miệng bao sử dụng các đầu hút chân khơng, vì vậy u cầu dịng khí
cấp vào phải hoạt động ổn định để bao dính vào đầu hút chắc chắn; các đầu hút
có độ đàn hồi nhất định.
 Cơ cấu gắp bao thiết kế cơ khí vì vậy u cầu phải chắc chắn, hạn chế rơ lắc khi
hoạt động; đảm bảo móc bao, căng bao, đưa bao đến vị trí kẹp một cách chính
xác.
2.2.2. Cơ cấu định lượng
 Cơ cấu định lượng là hệ thống phễu cân và cơ cấu đóng/mở phễu cân được treo
cùng với loadcell z. Loadcell z hoạt động dựa trên ngun lí cầu điện trở
Wheatstone. Khi có tải trọng tác động lên thân loadcell làm loadcell giãn ra dẫn
đến thay đổi giá trị các điện trở strain gauses. Vì vậy để tránh phá hủy loadcell
ta nên chọn loadcell có giá trị phù hợp.
 Khâu định lượng là khâu quan trọng nhất trong hệ thống nên cơ cấu định lượng
đảm bảo hoạt động liên tục, định lượng trong khoảng sai số cho phép; cơ cấu
đóng mở/phễu phải hoạt động chính xác, tránh tắc nghẽn liệu.

C
C

R
L
.
T

U
D

2.2.3. Băng tải
 Băng tải là một máy cơ khí dùng để vận chuyển hàng hóa, được dùng nhiều
trong cơng nghiệp để giảm thời gian, sức lao động cũng như chi phí nhân cơng
dẫn đến cải thiện được năng suất.
 Băng tải thiết kế phải phù hợp với kích thước bao và năng suất vận chuyển.
Trong hệ thống này, băng tải được thiết kế với bề rộng đai 250 mm, dài 1500
mm và có cơ cấu chỉnh căng đai. Giả định băng tải quay với vận tốc 0.3 m/s.
2.2.4. Cơ cấu may bao
Bao sau khi được định lượng đóng bao sẽ qua hệ thống may bao. Bao sẽ được kẹp
miệng và dẫn hướng đến máy may. Để kẹp miệng đúng vị trí, dẫn hướng chính xác
đến máy may, yêu cầu băng tải phải chạy với tốc độ phù hợp.
2.2.5. Đếm
Bao gạo sau khi được may miệng sẽ qua cảm biến đếm để thống kê lại số lượng bao đã
đóng. Yêu cầu cảm biến hoạt động ổn định, hạn chế nhiễu.
2.2.6. Hệ thống giám sát
Hệ thống giám sát cho hệ thống là một màn hình cảm ứng. Trên màn hình cảm ứng, ta
có thể cài đặt giá trị cân, số lượng bao và giám sát hoạt động của hệ thống. Hệ thống
giám sát yêu cầu hoạt động liên tục và giám sát hệ thống một cách trung thực nhất.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hữu Bảo

Nguyễn Xuân Định

Hướng dẫn: Nguyễn Thế Tranh

10


Thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động

2.3. Một số thiết bị cơ cấu chấp hành trong hệ thống
2.3.1. Loadcell Z
Loadcell là những cảm biến lực. Khi lực tác dụng lên loadcell, loadcell sẽ chuyển
đổi lực thành tín hiệu điện.
Tín hiệu điện từ ngõ ra của loadcell có thể là một sự thay đổi điện áp, thay đổi
dịng, tín hiệu số hoặc thay đổi tần số tùy thuộc vào loại loadcell và mạch sử dụng. Phổ
biến nhất là loadcell thay đổi điện áp.
Các loadcell có thể sử dụng điện trở, điện dung, kĩ thuật bù lực điện từ. Phổ biến
nhất là loadcell hoạt động theo nguyên tắc thay đổi điện trở để đáp ứng với một tải áp
dụng.
Các thành phần của một loadcell hoạt động theo nguyên tắc thay đổi điện trở:

C
C

R
L
.
T

U

D

Hình 2. 2. Thành phần của Loadcell
Loadcell được cấu tạo bởi 2 thành phần: strain gauge và load ( thân loadcell). Một
loadcell thường bao gồm các strain gauges được dán vào bề mặt của thân loadcell.
Thân loadcell là một khối kim loại đàn hồi và tùy vào mục đích sử dụng, chúng được
thiết kế với hình dáng và vật liệu khác nhau ( hợp kim nhơm, thép khơng gỉ, thép hợp
kim).
Ngun lí hoạt động: dựa trên nguyên lí cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Giá trị
lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở và trả về điện áp
tỉ lệ.

Hình 2. 3. Ngun lí hoạt động của Loadcell
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hữu Bảo
Nguyễn Xuân Định

Hướng dẫn: Nguyễn Thế Tranh

11


Thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động

Loadcell có nhiều loại: loadcell thanh, loadcell z, loadcell số …

Hình 2. 4. Hình ảnh Loadcell Z và Loadcell thanh.
Trong đồ án này sử dụng Loadcell MAVIN NS với các thống số sau:
- Tải trọng: 50 kg.
- Điện áp biến đổi: ( 2 ± 0.002) mV/V.
- Nhiệt độ làm việc: ( -20 ~ +60) oC.

- Điện trở đầu vào: ( 381 ± 4) Ω.
- Điện trở đầu ra: ( 350 ± 1) Ω.
- Điện áp kích thích: 6 ~ 15 ( DC/AC) V.
- Điện áp kích thích tối đa: 20 ( DC/AC) V.

C
C

R
L
.
T

U
D

- Quá tải an toàn: 150%.
- Quá tải phá hủy hoàn toàn: 300%.
- Tuân thủ theo tiêu chuẩn IP67.
- Màu sắc dây: Đỏ ( IN+), Đen ( IN-), Xanh ( OUT+), Trắng (OUT-).

Hình 2. 5. Loadcell MAVIN NS6 – 50 kg

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hữu Bảo
Nguyễn Xuân Định

Hướng dẫn: Nguyễn Thế Tranh

12

Thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động

2.3.2. Van điện từ
Van điện từ khí nén ( van đảo chiều) là một cơ cấu điều chỉnh hướng dịng khí nén
qua van. Van điện từ có tác dụng đóng hoặc ngắt dịng khí và điều chỉnh hướng của
dịng khí.
Dựa trên u cầu của các cơ cấu, nhóm tác giả sử dụng van 5/2 để kích xilanh tiến
lùi. Đây là loại van có 5 cửa 2 vị trí và dùng 24V để kích.

C
C

Hình 2. 6. Van điện từ.

R
L
.
T

Ngun lí hoạt động:

U
D

Hình 2. 7. Kí hiệu van điện từ 5/2.
Khi chưa cấp khí vào cửa điều khiển 14, dưới tác dụng của lực lò xo, van hoạt động ở
vị trí bên phải. Lúc đó, cửa 1 thơng cửa 2, cửa 4 thông cửa 5, cửa 3 bị chặn. Khi cấp
khí vào cửa 14 van đảo trạng thái làm cửa 1 thông cửa 4, cửa 2 thông cửa 3, cửa 5 bị
chặn.

2.3.3. Van chân khơng
Van chân khơng khí nén về cơ bản làm việc theo nguyên lí của hộp chân khơng
Vacuum Cartridge tạo chân khơng từ khí nén dựa trên công nghệ phun đa tầng như
công nghệ phản lực cho những yêu cầu độ tin cậy cao khi vận hành, thời gian đáp ứng
nhanh tạo ra độ chân khơng cao mặc dù áp lực khí đầu vào thấp.
Trong đồ án này sử dụng van hút chân không ZK. Van ZK là loại van hoạt động
trong môi trường chân không. Sản xuất bởi hãng STNC với cấu trúc đơn giản và làm
từ những vật liệu có thể chịu được độ ma sát của khí nén, khơng bị oxi hóa hay ăn
mòn, năng suất cao dù nhiệt độ, áp suất của mơi trường và khí là khá lớn.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hữu Bảo
Nguyễn Xuân Định

Hướng dẫn: Nguyễn Thế Tranh

13


Thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động

Hình 2. 8. Van chân khơng ZK của hãng STNC.
Các thông số của van ZK:
 Hãng sản xuất: STNC.
 Mã hàng: ZK.
 Lưu chất: khí nén.
 Nhiệt độ: 0oC – 600C.
 Áp suất: 0.5 kgf/cm2.
Việc lắp đặt hay vận hành van hút chân không ZK cần có các phụ kiện sau: giác hút
chân khơng, co nối, ống dẫn khí. Bộ giác hút chân khơng được làm bằng kim loại, phụ

C

C

R
L
.
T

kiện đầu giác hút phù hợp với đường kính ống dẫn khí. Được thiết kế thêm lị xo nằm
giữa nhằm giảm lực nén khi thiết bị hoạt động cùng vật chủ. Cốc hút chân không được
làm từ silicone dẻo làm tăng lực hút và giữ chắc vật thể khi hoạt động.

U
D

Hình 2. 9. Đầu hút chân khơng.
Bảng 2. 1. Catalog đầu hút chân khơng.
Đường kính giác hút Ф1.5, Ф2, Ф3.5, Ф4, Ф , Ф8, Ф10, Ф13, Ф1 .
Kiểu giác hút

Phẳng, phẳng có rãnh, hộp xếp.

Vật liệu ( màu sắc)

NBR ( đen), Silicone Rubber ( trắng), Urethane Rubber (nâu)…

Đặc điểm đệm

Xoay, xoay có bi lót, khơng xoay.

Hành trình đệm

3, 6, 10, 15, 20mm.

Kích thước cổng hút Ren cái: M3 x 0.5, M5 x 0.8; ống: Ф2, Ф4, Ф .
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hữu Bảo
Nguyễn Xuân Định

Hướng dẫn: Nguyễn Thế Tranh

14


Thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động

Van hút chân khơng ZK là thiết bị chun dùng trong hệ thống, máy móc khí nén
phục vụ cho các nhà máy đóng gói và chế biến thực phẩm, dệt may công nghiệp, lắp
ráp linh kiện điện tử, sản xuất robot, luyện kim, cơ khí chế tạo …
2.3.4. Xilanh khí nén
Xilanh khí nén ( ben khí nén) là một thiết bị cơ học được vận hành bằng khí nén
dựa vào hoạt động chuyển đổi năng lượng tiềm năng của khí nén thành động năng.
Điều này có được là do sự chênh áp được thiết lập bởi khí nén ở áp suất lớn hơn áp
suất khí quyển. Từ đó làm cho piston của xilanh chuyển động theo hướng mong muốn
làm cho các thiết bị dẫn động hoạt động.

C
C

R
L
.

T

Hình 2. 10. Xilanh khí nén.
Xilanh khí nén gồm 4 bộ phận chính:
 Piston: Bộ phận chính tạo ra cơ năng.
 Bộ phận trượt: giúp giữ piston cố định và giúp piston trượt tốt.

U
D

 Thân xilanh: là toàn bộ phần bên ngoài của xilanh.
 Đầu vào và đầu ra của khí nén.

Hình 2. 11. Cấu tạo xilanh khí nén.
Ngun lí hoạt động: xilanh khí nén thường được sử dụng cùng với van điện từ khí
nén. Xilanh khí nén hoạt động nhờ vào hệ thống cấp khí nén từ bên ngồi vào. Khi khí
nén được cấp vào thì xilanh tiến. Khi hết hành trình, xilanh đẩy khí nén ra ngồi và lùi
về trạng thái ban đầu, tiếp tục vịng tuần hồn.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hữu Bảo
Nguyễn Xuân Định

Hướng dẫn: Nguyễn Thế Tranh

15