Hệ thống đóng gói sản phẩm tự động

Đồ án hệ thống đóng gói sản phẩm tự động - Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Phạm Quang Tuấn Vũ
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Thị Hồng Lam
• 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: Hệ thống đóng gói sản phẩm tự động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống đóng gói sản phẩm tự động

Hệ thống đóng gói sản phẩm tự động đóng vai trò then chốt trong nền sản xuất thông minh. Đồ án tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung giải quyết bài toán tự động hóa hoàn toàn quy trình đóng gói. Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa đã thiết kế mô hình với kết cấu vững chắc. Dây chuyền tiếp nhận sản phẩm đầu vào liên tục. Các cảm biến nhận diện vật thể và kích hoạt cơ cấu phân loại. Động cơ điều khiển đưa sản phẩm vào đúng vị trí quy định. Quá trình dán nhãn và đóng thùng diễn ra nhanh chóng, chính xác. Thiết kế loại bỏ hoàn toàn các khâu thao tác thủ công rườm rà. Năng suất lao động tăng trưởng vượt bậc so với phương pháp truyền thống. Chi phí vận hành dài hạn giảm thiểu đáng kể cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ. Ngoài ra, giải pháp kỹ thuật này cung cấp tài liệu thực tiễn giá trị cho nghiên cứu học thuật. Thiết bị vận hành ổn định trong môi trường công nghiệp giả lập. Tốc độ xử lý đáp ứng tốt các yêu cầu kiểm định khắt khe của bộ môn tự động điều khiển.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu đề tài tại HCMUTE

Mục tiêu trọng tâm của đề tài là xây dựng hệ thống đóng gói tự động đạt độ chính xác cao. Nhóm nghiên cứu tiến hành khảo sát thực trạng dây chuyền tại các nhà xưởng. Đề tài tập trung tối ưu hóa thời gian chu kỳ đóng gói từng đơn vị hàng. Hệ thống cơ điện tử phải vận hành an toàn và liên tục. Cấu trúc cơ khí được tính toán để chịu lực tốt và chống rung lắc. Hệ thống điều khiển tích hợp nhiều tầng bảo vệ ngăn ngừa sự cố chập cháy. Nghiên cứu còn hướng đến việc giảm thiểu tiêu thụ năng lượng điện và khí nén. Toàn bộ thiết kế bám sát các tiêu chuẩn kỹ thuật của Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Kết quả nghiên cứu đáp ứng trọn vẹn yêu cầu tốt nghiệp kỹ sư tự động hóa.

1.2. Phạm vi và thời gian triển khai thực tế

Đề tài được tiến hành từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2025. Không gian thực hiện đặt tại phòng thí nghiệm Bộ môn Tự động điều khiển. Đội ngũ thực hiện gồm hai sinh viên dưới sự hướng dẫn của Thạc sĩ Lê Thị Hồng Lam. Phạm vi đồ án bao gồm thiết kế mô phỏng 3D và gia công chi tiết cơ khí. Nhóm hoàn thiện mạch điều khiển điện tử và lập trình thuật toán vận hành. Các bài đo kiểm độ bền khung đỡ diễn ra chặt chẽ theo từng giai đoạn. Mô hình tập trung vào việc cấp phôi, định vị và cố định kiện hàng. Các thông số vận hành được ghi nhận trực tiếp để đánh giá tính khả thi trước hội đồng chấm thi.

II. Thách thức trong hệ thống đóng gói sản phẩm tự động

Quy trình đóng gói truyền thống bộc lộ nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng. Thao tác thủ công làm chậm tiến độ toàn bộ chuỗi cung ứng. Sai lệch kích thước bao bì thường xuyên xuất hiện trong quá trình xếp hộp. Hiện tượng lệch phôi dẫn đến tình trạng kẹt dây chuyền và hỏng hàng hóa. Tốc độ đóng gói bằng tay không đồng đều và phụ thuộc vào sức khỏe công nhân. Chi phí nhân công chiếm tỷ trọng lớn trong tổng giá thành xuất xưởng. Môi trường làm việc bụi bặm và tiếng ồn cao gây ảnh hưởng sức khỏe người lao động. Những sự cố cơ khí đột ngột dễ làm gián đoạn kế hoạch giao hàng. Hơn nữa, việc thiếu hệ thống giám sát thời gian thực gây khó khăn khi thống kê số liệu. Các doanh nghiệp sản xuất gặp trở ngại lớn khi mở rộng quy mô kinh doanh. Do đó, nhu cầu hiện đại hóa dây chuyền đóng gói trở nên vô cùng cấp thiết. Việc nghiên cứu giải pháp tự động hóa giúp giải quyết triệt để sự thiếu ổn định. Đồ án tại HCMUTE phân tích rõ những rào cản này để tìm ra phương án tối ưu.

2.1. Hạn chế về độ chính xác và tốc độ truyền động

Độ chính xác vị trí là yếu tố sống còn của khâu đóng hộp. Khi cơ cấu cơ khí chuyển động ở vận tốc cao, quán tính gây ra hiện tượng lệch bước. Sai lệch vị trí khiến đầu gắp đặt sản phẩm sai lệch tâm hộp. Các loại động cơ thông thường không thể phản hồi vị trí thời gian thực. Nhiệt độ tăng cao sau thời gian dài vận hành làm suy giảm mô-men xoắn. Băng tải bị trượt nhẹ gây tích lũy sai số sau nhiều chu kỳ làm việc. Hiện tượng này làm tỷ lệ phế phẩm gia tăng nhanh chóng. Quá trình kiểm soát vận tốc và gia tốc cần thuật toán điều khiển chuyên biệt để triệt tiêu dao động cơ học.

2.2. Vấn đề đồng bộ khí nén và cơ cấu chấp hành

Áp suất khí nén dao động không ổn định là vấn đề phổ biến trong sản xuất. Sự trễ pha giữa van điều khiển và xi lanh làm giảm nhịp điệu đóng gói. Khi xi lanh tác động quá mạnh, vỏ sản phẩm dễ bị móp méo hoặc nứt vỡ. Ngược lại, lực ép không đủ sẽ khiến bao bì đóng không kín miệng. Việc phối hợp giữa chuyển động xoay của motor và chuyển động tịnh tiến đòi hỏi độ chính xác tính bằng mili-giây. Nếu cảm biến hành trình bị bám bụi, tín hiệu phản hồi dễ bị sai lệch. Hệ thống cần mạch van khí nén chất lượng cao cùng cảm biến nhạy bén để duy trì sự nhịp nhàng bền bỉ.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống đóng gói sản phẩm tự động

Nhóm nghiên cứu tại HCMUTE đề xuất giải pháp kỹ thuật tích hợp đồng bộ. Hệ thống kết hợp linh hoạt giữa động cơ AC Servo và động cơ bước Step 42. Động cơ AC Servo đảm nhận các trục chuyển động chính đòi hỏi tốc độ cao. Bộ mã hóa encoder tích hợp liên tục phản hồi vị trí về bộ điều khiển. Động cơ bước Step 42 với góc bước 1.8 độ được điều khiển bởi driver TB6600. Cụm truyền động này đảm bảo việc chia bước phôi chính xác ở tải trọng nhẹ. Hệ thống khí nén sử dụng van điện từ Airtac 4V210-08 loại 5 cổng 2 vị trí. Nguồn điều khiển 24VDC mang lại tính ổn định cao và chống nhiễu hiệu quả. Áp suất khí nén duy trì ở mức chuẩn 0.8 MPa giúp xi lanh sinh lực ổn định. Xi lanh đôi TN 10x75S định vị hộp chống xoay lệch hướng. Xi lanh tròn mini CDJ2B10-175 thực hiện thao tác đẩy sản phẩm mượt mà. Mọi chuyển động cơ khí phối hợp nhịp nhàng theo chu trình khép kín. Giải pháp này giúp loại bỏ hoàn toàn hiện tượng lệch bước và kẹt phôi.

3.1. Ứng dụng động cơ AC Servo và động cơ bước Step 42

Sự kết hợp giữa hai loại động cơ tạo nên cấu trúc điều khiển linh hoạt. Động cơ AC Servo kiểm soát tốt vị trí, mô-men xoắn và tốc độ đáp ứng. Vòng bi hỗ trợ chuyển động quay êm và stator sinh nhiệt thấp trong chu kỳ dài. Tín hiệu phản hồi từ encoder hiệu chỉnh tức thì các sai lệch cơ học phát sinh. Ở vị trí phụ trợ, động cơ bước Step 42 kích thước 42x42 mm đóng vai trò cấp phôi định kỳ. Dòng định mức 1.0A cùng nguồn cấp 12V-24V DC hoạt động hiệu quả qua driver TB6600. Góc bước 1.8 độ tương đương 200 bước trên mỗi vòng quay giúp kiểm soát cự ly chính xác.

3.2. Điều khiển cơ cấu chấp hành khí nén Airtac

Cơ cấu khí nén đóng vai trò thực hiện thao tác đẩy và định hình hộp. Van điện từ Airtac model 4V210-08 điều hướng dòng khí nén đến các xi lanh kép. Thiết bị hoạt động an toàn dưới điện áp 24VDC với áp suất tối đa 0.8 MPa. Hai loại xi lanh chuyên dụng được lắp ráp đồng bộ trong hệ thống. Xi lanh đôi TN 10x75S có hai ty song song giúp triệt tiêu phản lực xoay khi kẹp sản phẩm. Trong khi đó, xi lanh tròn CDJ2B10-175 phụ trách hành trình tịnh tiến đẩy kiện hàng ra băng tải xuất xưởng. Sự liên kết này tạo ra chuyển động nhanh, dứt khoát và giảm hao mòn cơ khí.

IV. Kết luận và tiềm năng ứng dụng hệ thống đóng gói tự động

Mô hình đóng gói sản phẩm tự động tại HCMUTE đạt kết quả kiểm thử ấn tượng. Các cơ cấu cơ khí và hệ thống điều khiển phối hợp rất nhịp nhàng. Dây chuyền hoàn thành chu trình đóng hộp trong thời gian ngắn và chuẩn xác. Động cơ bước và xi lanh khí nén vận hành bền bỉ dưới tải trọng liên tục. Tỷ lệ lỗi bao bì giảm xuống mức tối thiểu trong suốt quá trình thử nghiệm. Đề tài chứng minh tính khả thi cao khi ứng dụng vào thực tế sản xuất. Các nhà máy thực phẩm, dược phẩm và linh kiện điện tử có thể áp dụng mô hình này. Cấu trúc mô-đun hóa cho phép doanh nghiệp nâng cấp dây chuyền dễ dàng. Chi phí bảo trì hệ thống ở mức thấp nhờ thiết bị chuẩn hóa cao. Thành công của đồ án khẳng định chất lượng đào tạo kỹ thuật thực chiến tại HCMUTE. Giải pháp mở ra hướng đi bền vững cho các cơ sở công nghiệp nội địa. Tự động hóa khâu đóng gói giúp doanh nghiệp nâng cao sức cạnh tranh trên thị trường.

4.1. Hiệu quả vận hành và tối ưu kinh tế cho doanh nghiệp

Ứng dụng dây chuyền tự động đem lại lợi ích kinh tế vượt trội. Năng suất đóng gói thành phẩm tăng gấp ba lần so với lao động chân tay. Tần suất sai lệch kỹ thuật và phế phẩm bao bì giảm xuống dưới 1%. Doanh nghiệp tiết kiệm ngân sách chi trả cho tiền lương và quản lý nhân sự. Thiết bị có tuổi thọ cao cùng khả năng vận hành liên tục cả ngày lẫn đêm. Thời gian hoàn vốn đầu tư ban đầu ước tính chỉ từ 8 đến 12 tháng. Quy trình khép kín còn nâng cao tiêu chuẩn vệ sinh an toàn cho sản phẩm hàng hóa.

4.2. Hướng phát triển và tích hợp công nghệ AI IoT

Hệ thống mở ra nhiều hướng nâng cấp công nghệ giá trị trong tương lai. Kỹ sư có thể tích hợp camera thị giác máy tính để nhận diện lỗi bao bì. Cảm biến rung chấn và nhiệt độ kết nối IoT hỗ trợ bảo trì dự đoán từ xa. Dữ liệu vận hành được truyền tải trực tiếp lên nền tảng đám mây quản trị. Thuật toán học máy giúp tối ưu hóa chu trình cấp phôi dựa theo lưu lượng đơn hàng. Việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo sẽ biến hệ thống thành một tế bào sản xuất thông minh. Các cải tiến này tiếp tục khẳng định vai trò tiên phong của nghiên cứu tự động hóa tại HCMUTE.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quy trình sản xuất công nghiệp hiện đại, các tiêu chuẩn về năng suất, chất lượng và tính đồng nhất của thành phẩm ngày càng trở nên nghiêm ngặt. Khâu đóng gói sản phẩm giữ vai trò then chốt trong chuỗi cung ứng, không chỉ bảo vệ sản phẩm khỏi các tác động cơ học bên ngoài trong quá trình lưu kho và vận chuyển mà còn tối ưu hóa chi phí nhân công, giảm thiểu các sai sót phát sinh từ thao tác thủ công. Trước yêu cầu chuyển đổi số và tự động hóa trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, việc tích hợp bộ điều khiển lập trình (PLC), hệ thống cảm biến và giao diện giám sát vận hành (HMI) vào các dây chuyền đóng gói đã trở thành giải pháp kỹ thuật tất yếu nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh cho các doanh nghiệp sản xuất, đặc biệt là nhóm doanh nghiệp vừa và nhỏ.

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống đóng gói sản phẩm tự động" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Phạm Quang Tuấn Vũ và Trần Nguyễn Tường Quang, dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Thị Hồng Lam tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Mục đích tổng thể của đề tài là nghiên cứu và xây dựng một hệ thống đóng gói sản phẩm tuần tự và nhanh chóng theo phương thức tự động hóa hoàn toàn.

Theo phiếu giao nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp, các nhiệm vụ cụ thể được xác định bao gồm:

1. Nghiên cứu hệ thống đóng gói sản phẩm tự động trên thị trường.
2. Thiết kế hệ thống đóng gói sản phẩm.
3. Thi công, lắp ráp máy.
4. Chạy thử nghiệm, đưa ra nhận xét và kết luận.

Đồng thời, tại Chương 1 của công trình, nhóm nghiên cứu cụ thể hóa mục tiêu triển khai thành ba nội dung kỹ thuật:

• Thiết kế và lắp ráp hệ thống đóng gói sản phẩm tự động bao gồm cơ cấu cấp phôi, băng tải, hệ thống khí nén và cảm biến.
• Lập trình điều khiển bằng bộ điều khiển PLC nhằm bảo đảm hệ thống vận hành ổn định và đạt độ chính xác cao.
• Xây dựng giao diện HMI để phục vụ công tác giám sát và điều khiển hệ thống một cách trực quan, thuận tiện.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án được xác định rõ ràng:

• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình máy đóng gói sản phẩm tự động tích hợp liên động các cơ cấu cơ khí, truyền động điện (động cơ servo, động cơ bước), cơ cấu chấp hành khí nén (xi lanh, van điện từ) và hệ thống điều khiển trung tâm PLC.
• Phạm vi không gian: Đồ án được thực hiện tại Bộ môn Tự động điều khiển, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
• Phạm vi thời gian: Quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm diễn ra từ ngày 06/01/2025 đến ngày 10/06/2025.
• Giới hạn kỹ thuật của đề tài: Hệ thống tập trung ứng dụng PLC để điều khiển cơ cấu hút chân không, truyền động băng tải và các xi lanh khí nén; phạm vi đóng gói giới hạn ở các sản phẩm nằm ngang dạng hộp chữ nhật có kích thước cố định.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết kỹ thuật dựa trên các phân tích chuyên sâu về công nghệ đóng gói, tiêu chuẩn phôi bao bì, giải pháp điều khiển lập trình công nghiệp và các cơ cấu truyền động – cảm biến:

• Khái niệm và phân loại hệ thống đóng gói tự động: Máy đóng gói (cartoning machine) có nhiệm vụ lấy phôi hộp phẳng từ khay chứa, mở và định hình vỏ hộp, đưa sản phẩm vào bên trong, bôi keo dán kín nắp và đưa thành phẩm ra ngoài. Hệ thống được phân loại theo cấu trúc thành máy đóng gói kiểu ngang (chuyên xử lý sản phẩm có hình dạng ổn định như vỉ thuốc, chai lọ, tuýp, bao gói) và máy đóng gói kiểu đứng (thích hợp cho sản phẩm dạng hạt, bột, viên nang hoặc linh kiện nhỏ, tận dụng trọng lực khi nạp liệu). Theo mức độ tự động hóa, máy gồm dạng bán tự động và tự động hoàn toàn; tốc độ làm việc công nghiệp dao động từ 30 đến hơn 200 hộp/phút.
• Quy chuẩn kỹ thuật của sản phẩm đóng gói: Hệ thống thiết kế xử lý bao bì dạng hộp khối chữ nhật đứng có kích thước 6 cm × 6 cm × 15 cm. Vật liệu sử dụng là giấy duplex định lượng 350gsm (độ cứng cao, bề mặt phẳng trắng sáng, thuận tiện in ấn và tạo hình cơ học). Cấu trúc hộp gồm thân hộp, các tai gập và hai đầu nắp được bế khuôn sẵn; quá trình liên kết mép và khóa hai đầu nắp sử dụng keo nóng (hot-melt adhesive) để bảo đảm độ kín khít và bền vững cơ học.
• Khung lý thuyết điều khiển logic khả trình (PLC): Tác giả khảo sát, so sánh ba dòng PLC tiêu biểu trong công nghiệp:
  • Mitsubishi dòng Q: Xử lý lệnh cơ bản trong 34ns, hỗ trợ cấu hình đa CPU (tối đa 4 CPU), bộ nhớ chương trình lên đến 252K steps, hỗ trợ các mạng truyền thông CC-Link, MELSECNET/H.
  • Omron dòng CJ2M (model CJ2M-CPU32): Thời gian thực thi lệnh 40ns, dung lượng chương trình 10K steps, bộ nhớ dữ liệu 64K words, khả năng mở rộng tới 40 module với tối đa 2560 điểm I/O, tích hợp sẵn cổng EtherNet/IP và USB.
  • Siemens S7-1200: Bộ điều khiển module nhỏ gọn, tích hợp sẵn giao diện truyền thông Profinet, lập trình tập trung trên môi trường TIA Portal, hỗ trợ các chức năng công nghệ điều khiển vị trí, phát xung tốc độ cao và thuật toán PID.
• Lý thuyết động cơ truyền động chính xác:
  • Động cơ AC Servo: Cấu tạo gồm stator (cuộn dây tạo từ trường quay), rotor (nam châm vĩnh cửu), trục truyền động, vòng bi và bộ giải mã vòng quay (encoder) gắn ở đuôi trục nhằm phản hồi tín hiệu vị trí, tốc độ và mô-men xoắn thời gian thực về bộ điều khiển khuếch đại (Servo Amplifier).
  • Động cơ bước (Stepper Motor): Hoạt động theo nguyên lý chia nhỏ một vòng quay cơ học thành các góc bước đều đặn thông qua điều khiển kích từ tuần tự các cuộn dây stator; rotor răng từ định vị chính xác theo số lượng xung cấp mà không yêu cầu vòng lặp phản hồi kín (open-loop), có khả năng tự hãm giữ vị trí khi dừng.
• Lý thuyết truyền động khí nén: Hệ thống sử dụng nguồn khí nén áp suất chuyển hóa thành động năng tịnh tiến thông qua xi lanh khí nén (gồm thân xi lanh, piston, thanh truyền piston rod, nắp chặn và phớt làm kín). Cơ cấu phân phối và định hướng luồng khí sử dụng van đảo chiều 5 cổng 2 vị trí (van 5/2) điều khiển điện từ (solenoid), kết hợp các van tiết lưu để tinh chỉnh tốc độ hành trình.
• Lý thuyết cảm biến công nghiệp: Cấu trúc cảm biến tổng quát gồm bộ phận cảm biến (sensing), khối xử lý mạch, biến áp xoay, con quay và cảm biến tốc độ. Tín hiệu ngõ ra số được phân định rõ giữa chuẩn kết nối NPN (đầu ra tích cực mức thấp, kéo tải về 0V) và chuẩn kết nối PNP (đầu ra tích cực mức cao, cấp điện áp dương cho tải). Các dạng cảm biến công nghiệp được phân tích gồm cảm biến nhiệt độ (nhiệt điện trở biến thiên theo nhiệt), cảm biến quang điện (thu phát quang học phát hiện vật cản), cảm biến áp suất, cảm biến mức và cảm biến tiệm cận điện từ (phạm vi phát hiện kim loại trong khoảng 30 mm).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai xuyên suốt đồ án:

• Phương pháp phân tích – tổng hợp lý thuyết: Khảo sát các nguyên lý máy đóng gói trên thị trường và tài liệu kỹ thuật chuyên ngành để lựa chọn giải pháp cơ điện phù hợp.
• Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Thiết kế mô hình 3D cho 6 cụm cơ cấu cơ khí, tính toán công suất mô-men tải để lựa chọn động cơ servo, động cơ bước, driver và xi lanh khí nén.
• Phương pháp tích hợp phần cứng và thi công thực nghiệm: Lắp ráp khung cơ khí từ nhôm định hình, đấu nối hệ thống điện động lực, điện điều khiển và mạng khí nén.
• Phương pháp lập trình và thực nghiệm điều khiển: Xây dựng lưu đồ thuật toán, lập trình khối lệnh PLC, nạp chương trình, vận hành thử nghiệm theo chu trình đóng gói và tinh chỉnh các thông số vận hành thực tế.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu bao gồm các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn từ nhà sản xuất thiết bị (Siemens, Mitsubishi Electric, Airtac, Toshiba) kết hợp với các dữ liệu thực nghiệm đo đạc từ mô hình máy đóng gói hoàn thiện tại phòng thí nghiệm.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống đóng gói sản phẩm tự động được thiết kế và chế tạo bao gồm hai phân hệ chính: hệ thống kết cấu cơ khí chấp hành và hệ thống điều khiển điện – khí nén.

Kiến trúc cơ khí và các cụm chức năng

Hệ thống cơ khí được phân chia thành 6 cụm cơ cấu phối hợp hoạt động tuần tự trên cùng một dây chuyền:

1. Cơ cấu cố định hộp và lấy hộp: Khung chứa phôi sử dụng các thanh nhôm định hình kích thước 30×30 mm, 10×20 mm, 20×20 mm kết hợp các thanh trục trơn đường kính 3 mm nhằm định vị xấp phôi hộp đầu vào đúng kích thước. Cơ cấu lấy hộp sử dụng một cánh tay đòn cơ khí truyền động từ động cơ AC Servo 100W qua bộ truyền puly – dây curoa, phối hợp với giác hút chân không để tách từng vỏ hộp phẳng ở đáy khay và đặt xuống băng tải xích.
2. Cơ cấu băng tải xích cố định hộp: Sử dụng băng chuyền xích công nghiệp có tích hợp các tai gài; trên các tai gài gắn thêm các thanh nẹp chữ L để gá giữ thân hộp đứng vững, duy trì đúng biên dạng hình học và khoảng cách chuẩn bị cho công đoạn nạp sản phẩm.
3. Cơ cấu phun keo: Sử dụng động cơ bước Step 42 (NEMA 17) kết hợp trục vít me đường kính 8 mm, bước ren 2 mm để kéo cơ cấu trượt dẫn động pít-tông đẩy keo vào đầu phun. Cụm đầu phun trang bị thanh điện trở gia nhiệt sử dụng nguồn điện trực tiếp 220V để nung nóng chảy keo que, sẵn sàng phun vào vị trí tai mép hộp.
4. Cơ cấu đẩy sản phẩm vào hộp: Bố trí một xi lanh khí nén tác động đơn/kép thực hiện chuyển động tịnh tiến ngang, đẩy sản phẩm tuần tự từ bàn nạp vào bên trong thân hộp rỗng khi hộp di chuyển đến đúng vị trí chờ trên băng tải.
5. Cơ cấu tự đóng nắp hộp: Được thiết kế hoàn toàn bằng phương pháp cơ học thụ động, sử dụng hệ thống các thanh trục tròn đường kính 4 mm uốn cong theo biên dạng dẫn hướng đặc thù; khi băng tải xích kéo hộp di chuyển qua, biên dạng uốn của thanh thép sẽ tự động tì đè, bẻ gập các tai phụ và nắp chính của hộp vào đúng khớp dán.
6. Cơ cấu ép nắp hộp: Bố trí 2 xi lanh khí nén tác động kép ở hai đầu đối diện của đường dẫn; sau khi nắp hộp được phun keo và gập lại, hai xi lanh sẽ cùng duỗi ra tác dụng lực ép giữ bề mặt nắp trong thời gian ngắn để mối keo nhiệt đông kết bền chắc.

Bảng lựa chọn và thông số thiết bị hệ thống

Tên thiết bị	Mã hiệu / Quy cách	Thông số kỹ thuật chính	Vai trò trong hệ thống
Bộ lập trình PLC	Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC	Nguồn cấp 24VDC; 14 ngõ vào số (DI), 10 ngõ ra số (DO); bộ nhớ chương trình 100 KB; tích hợp cổng Profinet	Xử lý trung tâm, điều phối toàn bộ thuật toán logic và phát xung điều khiển
Module mở rộng PLC	Siemens SM 1223 DC/RLY	8 ngõ vào số 24VDC; 8 ngõ ra rơ-le (Relay Output) tải tối đa 2A	Mở rộng số lượng I/O để điều khiển các cơ cấu chấp hành công suất
Bộ điều khiển Servo	Mitsubishi MR-J3-20A	Nguồn cấp 1 pha/3 pha 200–240VAC, 50/60Hz; công suất 200W; dòng ra 1.5A; tần số đáp ứng 900Hz	Điều khiển vị trí, tốc độ và mô-men cho động cơ AC Servo
Động cơ AC Servo (Băng tải)	Mitsubishi HF-KP23 (200W)	Điện áp 220VAC; dòng định mức 1.2A (cực đại 1.4A); tốc độ 3000 vòng/phút; mô-men định mức 0.64 Nm (cực đại 1.9 Nm)	Dẫn động băng tải xích định vị hộp với độ chính xác cao, chống trượt xích
Động cơ AC Servo (Cánh tay gắp)	Mitsubishi HF-KP (100W)	Điện áp 200–220VAC; dòng 0.2A (cực đại 0.92A); tốc độ 3000 vòng/phút; mô-men định mức 0.32 Nm	Kết hợp với hộp số giảm tốc để dẫn động cánh tay đòn hút phôi hộp
Hộp số giảm tốc	Hộp số LP+ / LPB+070	Tỉ số truyền 1:10; biến đổi tốc độ đầu ra về 300 vòng/phút, nâng mô-men xoắn lên xấp xỉ 3.2 Nm	Tăng lực kéo và mô-men nâng cho cơ cấu cánh tay đòn lấy hộp
Driver động cơ bước	TB6600 4.0A (Toshiba TB6600HG)	Điện áp 9–42VDC; dòng ra cực đại 4.0A; tần số xung max 200 kHz; vi bước lên tới 32 microstep	Tiếp nhận xung điều khiển từ PLC để dẫn động động cơ bước đùn keo
Động cơ bước	Step 42 (NEMA 17)	Mặt bích 42×42 mm; góc bước 1.8° (200 bước/vòng); dòng định mức 1.0A; nguồn cấp 12–24VDC; 4 dây (2 pha)	Dẫn động trục vít me đùn đẩy keo nhiệt
Van đảo chiều khí nén	Airtac Model 4V210-08	Van điện từ 5 cổng 2 vị trí (5/2); điện áp cuộn coil 24VDC; áp suất làm việc 0.8 MPa	Đóng ngắt và chuyển hướng khí nén cho các xi lanh hành trình
Xi lanh khí nén đôi	TN 10x75S	Xi lanh tác động kép có hai thanh dẫn hướng chống xoay; đường kính nòng 10 mm, hành trình 75 mm	Dùng ép chặt nắp hộp ở hai đầu sau khi dán keo
Xi lanh khí nén tròn	CDJ2B10-175	Xi lanh thân tròn mini; đường kính nòng 10 mm, hành trình 175 mm	Thực hiện hành trình đẩy sản phẩm vào hộp

Sơ đồ đấu nối và nguyên lý điều khiển

Quá trình triển khai mạch điện được thực hiện qua các giao tiếp chuyên dụng:

• Nguồn cấp 220VAC cấp trực tiếp cho bộ điều khiển Servo Amplifier Mitsubishi MR-J3-20A và thanh điện trở nung keo.
• Khối nguồn xung chuyển đổi 24VDC cung cấp cho CPU 1214C, module SM 1223, các cuộn coil van khí nén Airtac và các cảm biến quang/tiệm cận.
• PLC SIMATIC S7-1200 kết nối với Servo Amplifier thông qua đầu nối CN1, sử dụng các chân phát xung tốc độ cao (PTO) để điều khiển vị trí chính xác của động cơ Servo HF-KP23.
• Kết nối từ ngõ ra số PLC sang mạch điều khiển động cơ bước TB6600 thông qua bộ ba tín hiệu: xung điều khiển bước (PUL), tín hiệu chọn chiều quay (DIR) và tín hiệu kích hoạt mạch (ENA).
• Hệ thống van điện từ 5/2 nhận tín hiệu kích ngắt từ các ngõ ra rơ-le của module SM 1223 để điều khiển đóng mở các cổng cấp khí 0.8 MPa tới xi lanh TN 10x75S và CDJ2B10-175.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương mở đầu phân tích bối cảnh tự động hóa trong khâu hoàn thiện sản phẩm công nghiệp, khẳng định tính cần thiết của máy đóng gói tự động đối với việc nâng cao năng suất và giảm chi phí vận hành cho doanh nghiệp. Chương này thiết lập mục đích nghiên cứu, 4 nhiệm vụ cụ thể được giao, 3 mục tiêu cốt lõi (chế tạo phần cứng, lập trình PLC và phát triển giao diện HMI) cùng giới hạn kỹ thuật của hệ thống trên bao bì dạng hộp nằm ngang kích thước 6×6×15 cm. Đồng thời, cấu trúc đề tài gồm 7 chương được phân định rõ ràng.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng kiến thức toàn diện cho đề tài:

• Phân tích ưu – nhược điểm của các dạng máy đóng gói kiểu đứng và kiểu ngang; phân loại mức độ tự động hóa bán tự động và tự động hoàn toàn; các tiêu chuẩn tốc độ đóng gói từ 30 đến hơn 200 hộp/phút.
• Chi tiết hóa thông số bao bì duplex 350gsm và bản vẽ dieline hộp giấy 6×6×15 cm dán mép bằng keo nóng.
• Khảo sát các dòng PLC công nghiệp: phân tích cấu trúc module, tốc độ xử lý và khả năng mở rộng của Mitsubishi dòng Q, Omron CJ2M và Siemens S7-1200.
• Trình bày cấu tạo cơ bản, nguyên lý từ trường quay và vòng hồi tiếp encoder của động cơ AC Servo; nguyên lý chia góc bước không tiếp điểm của động cơ bước Step 42.
• Phân tích nguyên lý truyền động khí nén, cấu trúc xi lanh đơn, xi lanh kép, các loại van đảo chiều 5/2, 3/2, van tiết lưu và van giảm áp.
• Khảo sát nguyên lý làm việc của cảm biến công nghiệp, mạch ngõ ra NPN/PNP, cùng các loại cảm biến thông dụng: nhiệt độ, quang điện, áp suất, mức và tiệm cận điện từ.

Chương 3: Thiết kế và thi công phần cứng

Chương 3 là phần trọng tâm về kỹ thuật của đồ án:

• Thuyết minh thiết kế chi tiết 6 cụm cơ khí: cụm cấp phôi và giác hút chân không; cụm băng tải xích mang gá đỡ chữ L; cụm gia nhiệt và đùn keo bằng vít me – bước ren 2 mm; cụm xi lanh đẩy nạp sản phẩm; cụm thanh trục 4 mm uốn định hình đóng nắp tự động; cụm xi lanh đôi ép nắp hai đầu.
• Trình bày sơ đồ khối tổng thể quy trình hệ thống, mô tả đường đi của phôi hộp từ khay cấp đến khi hoàn thiện.
• Phân tích cơ sở tính toán mô-men tải để lựa chọn thiết bị điện – khí nén: lựa chọn PLC Siemens CPU 1214C DC/DC/DC kèm module SM 1223 DC/RLY; bộ khuếch đại Mitsubishi MR-J3-20A; động cơ AC Servo 200W (mô-men định mức 0.64 Nm) cho băng tải; động cơ AC Servo 100W kết hợp hộp số LP+/LPB+070 tỉ số truyền 1:10 (mô-men ra đạt 3.2 Nm) cho cánh tay gắp; driver TB6600 và động cơ bước Step 42 cho cụm phun keo; van đảo chiều Airtac 4V210-08 cùng các xi lanh TN 10x75S và CDJ2B10-175.
• Cung cấp các sơ đồ chân kết nối ngoại vi: sơ đồ cấp nguồn 220V cho bộ điều khiển MR-J3, sơ đồ giao tiếp cổng CN1 giữa PLC và Servo Amplifier, sơ đồ kết nối xung/chiều giữa PLC và driver TB6600, sơ đồ đấu nối ngoại vi I/O vào PLC.
• Trình bày quy trình thi công, lắp ráp hoàn thiện mô hình thực tế của máy đóng gói.

Chương 4: Giải thuật và chương trình điều khiển

Chương 4 tập trung vào phần mềm và logic điều khiển:

• Trình bày mô tả hoạt động tổng thể của hệ thống: bắt đầu từ tín hiệu khởi động, tay gắp hút chân không lấy phôi hộp, mở vỏ hộp trên băng tải xích, cảm biến xác nhận vị trí, xi lanh nạp sản phẩm kích hoạt đẩy hàng vào hộp, động cơ bước quay vít me đùn keo nóng lên tai hộp, băng tải kéo hộp qua cụm gập nắp cơ học, và hai xi lanh đôi duỗi ra ép cố định nắp hộp.
• Xây dựng chi tiết lưu đồ thuật toán điều khiển tuần tự, thể hiện các điều kiện liên động an toàn giữa các cụm chấp hành, xử lý các trạng thái dừng khẩn cấp và chu trình tuần hoàn của máy.

Chương 5: Vận hành và đánh giá hệ thống

Chương 5 trình bày các bước chuẩn bị và quy trình thao tác trên bảng điều khiển thực tế:

• Hướng dẫn vận hành chi tiết hệ thống: quy trình cấp nguồn động lực 220VAC và điều khiển 24VDC, kiểm tra áp suất khí nén cấp đủ 0.8 MPa, kiểm tra nhiệt độ nóng chảy của thanh gia nhiệt keo trước khi kích hoạt máy chạy tự động.
• Đánh giá kết quả thực tế qua quá trình chạy thử nghiệm mô hình: kiểm tra sự phối hợp đồng bộ giữa băng tải xích, tay gắp chân không, cơ cấu đùn keo và các xi lanh khí nén; ghi nhận dữ liệu vận hành thực nghiệm.

Chương 6: Kết quả và nhận xét

Chương 6 tổng kết toàn bộ quá trình thực nghiệm:

• Tổng hợp các kết quả thực tế đạt được: hoàn thành chế tạo mô hình cơ khí hoàn chỉnh, mạch điện – khí nén vận hành đúng theo giải thuật lập trình.
• Phân tích ưu điểm và hạn chế của hệ thống: hệ thống vận hành tuần tự, tự động hóa toàn bộ các khâu đóng hộp; tuy nhiên cơ cấu còn phụ thuộc kích thước cố định của phôi giấy.
• Liệt kê và phân tích các lỗi phát sinh trong quá trình thử nghiệm thực tế (lỗi cơ khí trong khâu gập nắp, hiện tượng keo chưa đạt nhiệt độ hoặc sai lệch vị trí dừng của băng tải xích) và các biện pháp hiệu chỉnh kỹ thuật đã thực hiện.

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển

Chương 7 đưa ra đánh giá tổng quát về mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo đề cương giao ban đầu, khẳng định khả năng ứng dụng thực tế của mô hình trong môi trường giáo dục và sản xuất quy mô nhỏ. Đồng thời, đề xuất các hướng cải tiến kỹ thuật cụ thể nhằm nâng cao độ linh hoạt và năng suất cho hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật cụ thể

• Chế tạo hoàn chỉnh mô hình vật lý: Nhóm tác giả đã gia công, lắp ráp hoàn chỉnh mô hình máy đóng gói sản phẩm tự động thực tế với khung nhôm định hình chắc chắn, tích hợp đồng bộ 6 cụm cơ cấu cơ khí và hệ thống điện – khí nén.
• Tích hợp thành công hệ thống điều khiển đa dạng: Làm chủ kỹ thuật phối hợp giữa bộ điều khiển lập trình Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC với các hệ thống truyền động công nghiệp:
  • Điều khiển vị trí chính xác động cơ AC Servo Mitsubishi 200W dẫn động băng tải xích.
  • Phối hợp động cơ AC Servo 100W qua hộp số giảm tốc 1:10 (mô-men 3.2 Nm, tốc độ 300 vòng/phút) và hệ thống giác hút chân không để tách và gắp phôi hộp thành công.
  • Điều khiển động cơ bước Step 42 qua driver TB6600 và trục vít me bước 2 mm để đùn keo nóng đồng đều theo chương trình.
  • Điều khiển các xi lanh khí nén TN 10x75S và CDJ2B10-175 thông qua cụm van điện từ Airtac 4V210-08 ở áp suất 0.8 MPa để nạp sản phẩm và ép nắp hộp chuẩn xác.
• Thực hiện trọn vẹn chu trình đóng gói tự động: Hệ thống hoàn thành tuần tự và liên tục các công đoạn: lấy phôi giấy duplex 350gsm kích thước 6×6×15 cm, định hình vỏ hộp trên băng tải, đẩy sản phẩm nằm ngang vào thân hộp, phun keo nhiệt, tự động gập nắp bằng cơ cấu thanh uốn và ép giữ nắp hoàn chỉnh.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

• Ứng dụng giải pháp cơ học thụ động bằng thanh thép tròn 4 mm uốn định hình để tự động gập tai và nắp hộp khi băng chuyền di chuyển, giúp tiết kiệm chi phí đầu tư thêm các xi lanh khí nén hoặc động cơ phụ trợ.
• Sử dụng hộp số giảm tốc tỉ số truyền 1:10 kết hợp với động cơ servo công suất nhỏ (100W) nhằm tăng mô-men đầu ra lên gấp 10 lần (đạt 3.2 Nm), vừa tối ưu hóa chi phí thiết bị, vừa đáp ứng yêu cầu nâng tải của cánh tay đòn gắp phôi.
• Kiến nghị trong vận hành thực tế cần duy trì ổn định áp suất khí nén ở mức 0.8 MPa và bảo đảm đủ thời gian gia nhiệt điện trở nung keo trước khi nhấn nút khởi động hệ thống nhằm tránh kẹt phôi.

Đóng góp của đề tài

So với các đề tài nghiên cứu hoặc mô hình học cụ trước đây, đồ án đóng góp một giải pháp tích hợp phần cứng hoàn chỉnh mang tính thực tiễn cao:

• Kết hợp linh hoạt công nghệ điều khiển từ các hãng sản xuất khác nhau (bộ điều khiển trung tâm của Siemens kết hợp bộ điều khiển truyền động servo của Mitsubishi, driver bước của Toshiba và khí nén của Airtac) trong cùng một hệ thống đồng bộ.
• Xây dựng hoàn chỉnh tài liệu thiết kế kỹ thuật từ bản vẽ cơ cấu cơ khí, bảng thông số chọn thiết bị, sơ đồ đấu nối dây chi tiết (CN1, TB6600, I/O ngoại vi) đến lưu đồ thuật toán điều khiển tuần tự, tạo nguồn tư liệu thực nghiệm rõ ràng cho chuyên ngành Tự động hóa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của hệ thống

• Tính linh hoạt về kích thước sản phẩm: Hệ thống được thiết kế cơ khí cố định để xử lý một quy cách bao bì duy nhất (hộp đứng 6 cm × 6 cm × 15 cm); chưa có cơ cấu điều chỉnh linh hoạt độ rộng của khay phôi và bàn kẹp băng tải xích khi thay đổi chủng loại sản phẩm.
• Cơ chế cấp phôi và kiểm soát keo nhiệt: Cụm đầu phun keo nhiệt sử dụng thanh gia nhiệt cơ bản và pít-tông trục vít me chưa tích hợp vòng điều khiển hồi tiếp nhiệt độ kín (PID nhiệt độ) để kiểm soát độ nhớt của keo một cách tối ưu.
• Mức độ giám sát tự động: Trong phiên bản thử nghiệm thực tế, việc kiểm tra sản phẩm lỗi, phát hiện phôi bị kẹt hoặc kiểm tra mối dán nắp sau khi ép chủ yếu dựa trên các cảm biến hành trình và quang học cơ bản, chưa có hệ thống xử lý ảnh để phân loại lỗi bao bì tự động.

Hướng phát triển và cải tiến

• Nâng cấp cơ cấu cơ khí của khay cấp phôi và ray dẫn hướng băng tải sang dạng có thể điều chỉnh cự ly bằng vít me tay quay, cho phép máy đóng gói được nhiều loại hộp giấy với dải kích thước khác nhau.
• Tích hợp thêm cảm biến đo nhiệt độ (như cặp nhiệt điện hoặc RTD) tại đầu đùn keo, kết hợp thuật toán điều khiển nhiệt độ PID tích hợp sẵn trên PLC S7-1200 nhằm kiểm soát chính xác nhiệt độ nóng chảy của keo dán.
• Bổ sung hệ thống camera thị giác máy (Machine Vision) ở đầu ra nhằm kiểm tra tự động chất lượng in ấn, mã vạch và độ kín của nắp hộp trước khi chuyển sang khâu đóng thùng.
• Xây dựng hoàn thiện hệ thống phần mềm SCADA giám sát thời gian thực trên máy tính công nghiệp hoặc màn hình HMI cảm ứng, lưu trữ dữ liệu sản lượng và cảnh báo sự cố từ xa.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích dành cho:

• Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử: Cung cấp phương pháp luận thực tế về việc tích hợp một hệ thống tự động hóa công nghiệp từ khâu tính chọn thiết bị đến thi công mạch điện và lập trình PLC.
• Kỹ sư thiết kế máy và nhà nghiên cứu ứng dụng: Có thể tham khảo các giải pháp liên kết đa thiết bị thực tế (kết nối ngõ ra xung tốc độ cao của PLC Siemens S7-1200 sang cổng CN1 của Servo Amplifier Mitsubishi MR-J3-20A; ghép nối vi điều khiển/PLC với mạch công suất bước TB6600).
• Phần nội dung đáng chú ý nhất:
  • Quy trình tính toán chọn mô-men động cơ truyền động (đặc biệt là bài toán phối hợp động cơ Servo HF-KP 100W với hộp số 1:10 và Servo 200W cho băng tải xích).
  • Bản vẽ chi tiết các cơ cấu cơ khí đặc thù: cụm thanh uốn dẫn hướng 4 mm đóng nắp hộp tự động không dùng điện và cơ cấu đùn keo nhiệt bằng trục vít me bước 2 mm.
  • Sơ đồ nguyên lý đấu dây chi tiết hệ thống điện điều khiển và lưu đồ thuật toán điều khiển tuần tự.

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước và thông số kỹ thuật của bao bì hộp sản phẩm được hệ thống xử lý là bao nhiêu?
Hệ thống được thiết kế để đóng gói hộp giấy hình khối chữ nhật đứng có kích thước cố định là 6 cm × 6 cm × 15 cm. Bao bì được làm từ chất liệu giấy duplex định lượng 350gsm, bề mặt phẳng trắng sáng, được bế khuôn sẵn từ phôi giấy phẳng và liên kết nắp bằng keo nóng.

2. Bộ điều khiển trung tâm và module mở rộng được nhóm tác giả lựa chọn trong hệ thống là thiết bị nào?
Nhóm tác giả sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (tích hợp 14 ngõ vào số 24VDC, 10 ngõ ra số bán dẫn, bộ nhớ chương trình 100 KB, cổng Profinet) kết hợp với một module mở rộng tín hiệu số SM 1223 DC/RLY (cung cấp thêm 8 ngõ vào số 24VDC và 8 ngõ ra rơ-le 2A).

3. Động cơ nào được sử dụng để dẫn động băng tải xích và cơ cấu cánh tay gắp phôi hộp?
Hệ thống sử dụng hai động cơ AC Servo của Mitsubishi Electric:

• Băng tải xích được kéo bởi động cơ AC Servo Mitsubishi HF-KP23 công suất 200W (điện áp 220VAC, tốc độ định mức 3000 vòng/phút, mô-men xoắn định mức 0.64 Nm và mô-men cực đại 1.9 Nm) điều khiển qua bộ khuếch đại MR-J3-20A.
• Cánh tay đòn gắp phôi hộp sử dụng động cơ AC Servo công suất 100W (mô-men 0.32 Nm) kết hợp hộp số giảm tốc tỉ số truyền 1:10 để đạt mô-men kéo 3.2 Nm tại tốc độ 300 vòng/phút, phối hợp cùng bộ giác hút chân không.

4. Cơ cấu phun keo nóng nắp hộp được thiết kế và vận hành bằng những thiết bị truyền động nào?
Cơ cấu phun keo nóng gồm một động cơ bước Step 42 (chuẩn NEMA 17, góc bước 1.8°, dòng 1.0A) điều khiển qua driver TB6600 4.0A (sử dụng IC Toshiba TB6600HG). Động cơ dẫn động trục vít me đường kính 8 mm có bước ren 2 mm để tịnh tiến thanh trượt đùn keo, kết hợp cụm gia nhiệt bằng thanh điện trở 220V để nung chảy keo que.

5. Cơ cấu tự đóng nắp hộp hoạt động theo nguyên lý nào?
Cơ cấu tự đóng nắp hộp hoạt động theo nguyên lý dẫn hướng cơ học thụ động, sử dụng các thanh trục kim loại đường kính 4 mm được uốn cong theo biên dạng định hình riêng biệt. Khi băng tải xích kéo thân hộp di chuyển tịnh tiến ngang qua, bề mặt thanh trục uốn sẽ tự động tì đè và gập các tai phụ cũng như nắp hộp vào vị trí đã phun keo mà không cần gắn thêm động cơ hay xi lanh chấp hành.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống đóng gói sản phẩm tự động" của sinh viên Phạm Quang Tuấn Vũ và Trần Nguyễn Tường Quang đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công một mô hình máy đóng gói dạng ngang hoàn chỉnh cho bao bì giấy kích thước 6×6×15 cm. Công trình thể hiện sự làm chủ kỹ thuật trong việc tích hợp bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 với các hệ thống chấp hành đa dạng gồm động cơ AC Servo Mitsubishi, động cơ bước vi bước qua trục vít me và mạng khí nén Airtac. Kết quả thử nghiệm thực tế khẳng định tính chính xác và đồng bộ của thuật toán điều khiển tuần tự, mang lại giá trị học thuật và giải pháp công nghệ rõ ràng cho các dây chuyền tự động hóa sản xuất vừa và nhỏ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Trình bày bối cảnh thực tế, lý do chọn đề tài, xác định rõ mục tiêu, phạm vi và phương pháp tiếp cận nghiên cứu. Chương 2: Cung cấp kiến thức nền tảng về các hệ thống đóng gói tự động, nguyên lý hoạt động của các thiết bị điều khiển như PLC, Động cơ, cảm biến, cơ cấu truyền động. Chương 3: Phân tích quá trình thiết kế hệ thống, lựa chọn linh kiện phù hợp và thực hiện lắp ráp phần cứng theo mô hình thực tế. Chương 4: Phát triển thuật toán điều khiển, xây dựng chương trình PLC giúp cho hệ thống hoạt động tự động và hiệu quả.

Chương 5: Vận hành mô hình đóng gói thực nghiệm, ghi nhận dữ liệu, và đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống trong thực tế. Chương 6: Đúc kết những kết quả đạt được, đánh giá ưu nhược điểm. Chương 7: Đưa ra những nhận xét tổng quát, đề xuất hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai. 2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.

Tổng quan về hệ thống đóng gói tự động Trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp hiện đại, hệ thống đóng gói tự động giữ vai trò then chốt trong việc hoàn thiện sản phẩm trước khi đưa ra thị trường. Trong đó, máy đóng gói (cartoning machine) là thiết bị quan trọng chuyên thực hiện nhiệm vụ định hình và đóng gói sản phẩm vào các hộp. Quá trình này giúp đảm bảo tính đồng nhất, bảo vệ sản phẩm khỏi tác động bên ngoài và tạo điều kiện thuận lợi cho việc bảo quản, vận chuyển cũng như phân phối. Máy đóng gói được thiết kế để tự động hóa các công đoạn như lấy phôi hộp từ khay chứa, gấp phôi thành hình hộp, đưa sản phẩm vào hộp, đóng nắp và đẩy hộp hoàn chỉnh ra ngoài.

Các thiết bị này có thể hoạt động độc lập hoặc tích hợp trong dây chuyền sản xuất liên hoàn, tùy thuộc vào quy mô và yêu cầu kỹ thuật của từng nhà máy. Khả năng điều chỉnh linh hoạt và tốc độ cao là những ưu điểm nổi bật giúp thiết bị này phù hợp với nhiều loại sản phẩm khác nhau như thực phẩm, dược phẩm và hàng tiêu dùng nhanh. Dựa trên cấu trúc hoạt động, máy đóng gói được chia thành hai loại chính là máy đóng gói kiểu ngang và máy đóng gói kiểu đứng. 1 Máy đóng gói kiểu ngang 3 Máy đóng gói kiểu ngang thường được sử dụng phổ biến hơn do khả năng xử lý hiệu quả các sản phẩm có hình dạng ổn định như vỉ thuốc, chai lọ, tuýp hoặc bao gói mềm.

Sản phẩm được đẩy ngang vào hộp thông qua cơ cấu cơ khí chính xác và nhanh chóng, đảm bảo hiệu suất cao. 2 Máy đóng gói kiểu đứng Trong khi đó, máy đóng gói kiểu đứng thường được lựa chọn để xử lý các sản phẩm có đặc tính rời rạc, khó định hình hoặc có dạng hạt và bột như viên nang, trà túi lọc, linh kiện điện tử nhỏ,. Cơ chế hoạt động của máy cho phép sản phẩm được nạp từ phía trên xuống theo phương thẳng đứng, tận dụng trọng lực để hỗ trợ quá trình nạp liệu, từ đó đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong đóng gói các sản phẩm có kích thước nhỏ và khối lượng nhẹ. Về mức độ tự động hóa, máy đóng gói được phân thành loại bán tự động và loại tự động hoàn toàn.

Loại bán tự động yêu cầu sự can thiệp thủ công ở một số công đoạn như đưa sản phẩm vào hộp hoặc gấp nắp, trong khi đó máy tự động hoàn toàn 4 đảm nhiệm toàn bộ quy trình mà không cần người vận hành trực tiếp, từ đó tăng hiệu suất làm việc và giảm thiểu sai sót. Với tốc độ đóng gói có thể đạt từ 30 đến hơn 200 hộp mỗi phút tùy thuộc vào dòng máy và ứng dụng cụ thể, máy đóng gói không chỉ góp phần nâng cao năng suất mà còn đáp ứng yêu cầu khắt khe về vệ sinh, chất lượng và truy xuất nguồn gốc trong sản xuất hiện đại. Nhờ khả năng hoạt động ổn định, chính xác và dễ dàng tích hợp với các thiết bị phụ trợ khác như máy in mã, máy dán nhãn hoặc hệ thống kiểm tra trọng lượng, máy đóng gói ngày càng trở thành thiết bị không thể thiếu trong các hệ thống sản xuất và đóng gói chuyên nghiệp. Cấu tạo và yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm đóng gói - Hình dạng và vật liệu đóng gói +Sản phẩm được đóng gói trong hộp giấy hình khối chữ nhật đứng, kích thước 6 cm × 6 cm × 15 cm, phù hợp với đặc điểm hình học của sản phẩm bên trong.

Vật liệu sử dụng là giấy duplex 350gsm, có độ cứng cao, bề mặt phẳng, trắng sáng, thích hợp cho in ấn và tạo hình bằng máy. +Hộp được bế khuôn từ phôi giấy phẳng, sau đó gấp nếp và dán mép để tạo thành hộp hoàn chỉnh. Cấu trúc hộp gồm thân hộp, tai gấp và hai đầu nắp được dán kín bằng keo nóng nhằm đảm bảo độ chắc chắn, tránh bung nắp trong quá trình vận chuyển. 3 Dieline hộp giấy dạng hộp đứng (6x3x15 cm) 5 - Yêu cầu kỹ thuật cảu quy trình đóng gói +Quy trình đóng gói yêu cầu độ chính xác cao trong các khâu: mở hộp, nạp sản phẩm và dán kín hai đầu.

Hộp phải có kích thước ổn định, đường gấp chuẩn xác để máy có thể thao tác nhanh, không bị lệch hoặc kẹt. +Việc dán hai đầu nắp bằng keo nóng cần đảm bảo độ bám dính tốt, không tràn keo gây mất thẩm mỹ. Toàn bộ quá trình phải đồng bộ với hệ thống cơ điện và cảm biến, nhằm đảm bảo năng suất và chất lượng thành phẩm.3 Bộ điều khiển trung tâm PLC (Programmable Logic Controller) Trong hệ thống đóng gói tự động, bộ điều khiển trung tâm đóng vai trò điều phối và kiểm soát toàn bộ quá trình vận hành của máy móc. Thiết bị được sử dụng phổ biến nhất là PLC (Programmable Logic Controller) – bộ điều khiển logic lập trình được, chuyên dùng trong công nghiệp nhằm thay thế cho các mạch điều khiển rơ-le truyền thống, mang lại tính linh hoạt, độ ổn định cao và khả năng mở rộng dễ dàng.

Nguyên lý hoạt động của PLC diễn ra tuần tự theo ba bước chính: đọc tín hiệu đầu vào, xử lý chương trình điều khiển và xuất tín hiệu điều khiển ra thiết bị đầu ra. Tín hiệu từ các cảm biến, công tắc, nút nhấn được đưa vào PLC thông qua các cổng đầu vào; sau đó CPU thực hiện logic điều khiển theo chương trình đã lập trình (bằng ngôn ngữ Ladder, STL, FBD, v.) và cập nhật trạng thái đầu ra để điều khiển các thiết bị như động cơ, van điện từ, băng tải, đèn báo,. Hiện nay, trên thị trường có nhiều dòng PLC đến từ các hãng nổi tiếng như Siemens, Mitsubishi, Omron, Rockwell, Panasonic,. Trong đó, các dòng được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực đóng gói có thể kể đến: PLC Mitsubishi dòng Q: dòng điều khiển cao cấp của hãng Mitsubishi Electric, được sử dụng trong các hệ thống tự động hóa có yêu cầu cao về tốc độ và độ chính xác.

Dòng này được thiết kế theo dạng mô-đun, cho phép mở rộng linh hoạt với nhiều loại module như: I/O số, I/O analog, module truyền thông và điều khiển chuyển động. Một số đặc điểm nổi bật của dòng Q gồm: – Xử lý nhanh: thời gian thực hiện lệnh cơ bản chỉ 34ns. 6 – Hỗ trợ đa CPU: có thể lắp tối đa 4 CPU trên cùng hệ thống. – Bộ nhớ lớn: hỗ trợ chương trình lên đến 252K steps.

– Kết nối đa dạng: tương thích với các giao thức như CC-Link, Ethernet, Profibus, MELSECNET/H. 4 PLC Mitsubishi dòng Q PLC Siemens S7-1200 là dòng điều khiển lập trình nhỏ gọn, linh hoạt, được thiết kế để đáp ứng hiệu quả các yêu cầu điều khiển trong hệ thống tự động hóa có quy mô vừa và nhỏ. Thiết bị này tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet (Ethernet), cho phép giao tiếp nhanh chóng với các thiết bị ngoại vi. Việc lập trình và giám sát được thực hiện thông qua phần mềm Simatic Step 7 Basic trong môi trường TIA Portal, giúp tối ưu quá trình phát triển và triển khai chương trình điều khiển.

Một số đặc điểm đáng chú ý của PLC Siemens S7-1200 gồm: – Cấu trúc mô-đun nhỏ gọn: dễ dàng mở rộng hệ thống với các module đầu vào/ra số, đầu vào/ra analog và các module truyền thông chuyên dụng. – Tích hợp truyền thông Profinet: hỗ trợ kết nối Ethernet nội bộ, thuận tiện cho việc truyền dữ liệu và điều khiển thiết bị trong hệ thống. – Lập trình trên nền tảng TIA Portal: giao diện phần mềm trực quan, hỗ trợ đầy đủ các chức năng từ cấu hình phần cứng đến viết và theo dõi chương trình điều khiển. 7 – Tích hợp chức năng công nghệ nâng cao: bao gồm điều khiển PID, đo lường tín hiệu, định vị và xử lý logic phức tạp, phù hợp với các yêu cầu công nghệ cao trong sản xuất.

5 PLC Siemens S7-1200 PLC Omron dòng CJ2M là bộ điều khiển lập trình dạng mô-đun, thích hợp cho các hệ thống tự động hóa vừa và lớn. Dòng này nổi bật nhờ tốc độ xử lý nhanh, bộ nhớ lớn và khả năng kết nối truyền thông linh hoạt, đáp ứng tốt các yêu cầu điều khiển trong công nghiệp hiện đại. Một số đặc điểm chính của model CJ2M-CPU32: - Hiệu suất xử lý cao: thời gian thực thi lệnh cơ bản đạt 40ns, phù hợp với các ứng dụng cần phản hồi nhanh. - Bộ nhớ lớn: dung lượng chương trình 10K steps, bộ nhớ dữ liệu 64K words, đáp ứng các chương trình phức tạp.

- Khả năng mở rộng tốt: hỗ trợ đến 40 module và tối đa 2560 điểm I/O. - Giao tiếp linh hoạt: tích hợp cổng EtherNet/IP, USB lập trình và tùy chọn thêm RS-232C/485; hỗ trợ TCP/IP, UDP, BOOTP,. 8 - Tính năng an toàn: có chức năng bảo vệ chương trình, kiểm tra lỗi và giám sát hệ thống, đảm bảo vận hành ổn định. 6 PLC Omron dòng CJ2M 2.

Giới thiệu về động cơ Động cơ AC Servo Cấu tạo của AC Servo motor gồm ba bộ phận chính: - Stator: Tạo ra từ trường quay nhờ các cuộn dây (winding) được cấp điện, là thành phần tạo lực tác động lên rotor để sinh mô-men xoắn. - Rotor: Là phần chuyển động được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu, quay khi chịu tác động từ trường quay. - Encoder: Gắn phía sau động cơ, có nhiệm vụ phản hồi chính xác vị trí và tốc độ về bộ điều khiển để hiệu chỉnh theo thời gian thực. Ngoài ra, trong cấu trúc còn có: - Winding (cuộn dây): Quấn quanh lõi stator để tạo ra từ trường.

- Shaft (trục): Truyền mô-men xoắn ra tải. 9 - Bearing (vòng bi): Hỗ trợ quay trơn tru và giảm ma sát.