Giới thiệu dự án

Trong kỷ nguyên Công nghiệp 4.0, tự động hóa dây chuyền sản xuất đóng vai trò quyết định trong việc tối ưu hóa năng suất, giảm thiểu chi phí nhân công và nâng cao năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp. Theo các khảo sát công nghiệp chế tạo, việc tự động hóa khâu phân loại sản phẩm có thể giảm thiểu tỷ lệ lỗi do thao tác thủ công từ 8–12% xuống dưới 0.1%, đồng thời tăng tốc độ chu kỳ đóng gói và phân phối lên hơn 40%. Đối với các chi tiết cơ khí kim loại nặng như phôi đúc gang trắng, việc phân loại thủ công không chỉ gây quá tải lao động mà còn thiếu chính xác do quán tính và sự chênh lệch kích thước nhỏ giữa các biến thể sản phẩm.

flowchart TD
    A[Phễu cấp phôi tự động] -->|Cảm biến quang phát hiện| B(Xi lanh đẩy A)
    B -->|Đẩy phôi vào| C[Băng tải PVC dẫn động xích]
    C -->|Di chuyển qua| D[Cảm biến đo chiều cao siêu âm]
    D -->|Phôi cao: h3 = 70mm| E[Xi lanh gạt B xoay 70° -> Khay 1]
    D -->|Phôi trung bình: h2 = 65mm| F[Xi lanh gạt C xoay 70° -> Khay 2]
    D -->|Phôi thấp: h1 = 60mm| G[Băng tải đưa về cuối hành trình -> Khay 3]

Bài toán kỹ thuật (Problem Statement)

Hệ thống sản xuất cần phân loại tự động và liên tục các chi tiết phôi trụ kim loại đúc bằng vật liệu Gang trắng ($\rho = 7.5 \text{ g/cm}^3$) có cùng đường kính đáy ($d = 60\text{ mm}$) nhưng khác nhau về chiều cao:

  • $h_1 = 60\text{ mm}$ (Khối lượng $Q_1 = 1.27\text{ kg}$)
  • $h_2 = 65\text{ mm}$ (Khối lượng $Q_2 = 1.38\text{ kg}$)
  • $h_3 = 70\text{ mm}$ (Khối lượng $Q_3 = 1.48\text{ kg}$)

Thách thức cốt lõi là đảm bảo phôi chuyển động ổn định không bị đổ lật dưới tác dụng của lực quán tính khi chuyển tiếp từ xi lanh cấp phôi sang băng tải, đồng thời cơ cấu chấp hành khí nén phải đáp ứng chính xác theo dải thời gian trễ thực tế.

Mục tiêu đồ án (Project Objectives)

  1. Thiết kế hệ thống động lực học hoàn chỉnh: Tính toán cơ cấu băng tải PVC ($W = 200\text{ mm}, L = 1700\text{ mm}$), hệ thống dẫn động xích con lăn một dãy tiêu chuẩn, trục tang chủ động và bị động chế tạo từ thép C45.
  2. Lựa chọn và phối ghép hệ thống truyền động: Xác định công suất động cơ điện 24VDC tích hợp hộp giảm tốc bánh răng 1 cấp và bộ truyền xích ngoài.
  3. Thiết kế hệ thống khí nén và phân loại: Xây dựng mạch điều khiển khí nén với xi lanh đẩy phôi tịnh tiến $S = 200\text{ mm}$ và 02 xi lanh xoay góc $70^\circ$ (dòng MSQ series) đáp ứng thời gian gạt $0.156 - 1.56\text{ s}$.
  4. Xây dựng giải thuật điều khiển phân loại tuần tự: Mô hình hóa sơ đồ trạng thái Grafcet kết hợp cảm biến siêu âm công nghiệp và cảm biến quang điện đếm sản phẩm.

Thông số kỹ thuật kỳ vọng (Expected Metrics)

  • Năng suất định mức: $N = 25\text{ sản phẩm/phút}$ (Khả năng điều chỉnh linh hoạt: $\pm 50%$, tương ứng $N_{\min} = 12\text{ sp/ph}$ đến $N_{\max} = 38\text{ sp/ph}$).
  • Vận tốc làm việc băng tải: $v = 236.11\text{ mm/s}$ (dải điều chỉnh $v_{\min} = 113.33\text{ mm/s}$ đến $v_{\max} = 358.65\text{ mm/s}$).
  • Hệ số an toàn mỏi trục tang: $s = 48.87 \gg [s] = 3$.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí so sánh Hệ thống phân loại Vertical Crossbelt Hệ thống phân loại ASM Sorter Giải pháp đồ án đề xuất
Cơ cấu phân loại Xi lanh tác động đơn/kép gạt thẳng Cánh tay Robot xoay / Tay gạt Servo Xi lanh xoay khí nén góc $70^\circ$ (MSQ)
Công nghệ nhận dạng Cảm biến quang + Camera Vision xử lý ảnh Cảm biến quang + Cảm biến điện dung Cảm biến siêu âm công nghiệp đo khoảng cách
Kích thước & Tải trọng Tải tối đa $50\text{ kg}$, cồng kềnh $10\text{ g} - 100\text{ kg}$, chi phí cao $1.27 - 1.48\text{ kg}$, chuyên biệt cho phôi đúc
Mức độ phức tạp bảo trì Cao (hệ thống khí nén 8 bar, nhiều đường ống) Rất cao (yêu cầu bảo trì robot và phần mềm) Trung bình (khí nén tiêu chuẩn 6 bar, linh kiện module)
Chi phí đầu tư $15,000 - $30,000 USD $> $50,000 USD Phù hợp quy mô vừa và nhỏ ($< $2,000 USD)

Đánh giá yêu cầu theo mô hình MoSCoW

  • Must have: Khả năng phân loại chính xác 3 kích thước chiều cao ($60\text{ mm}, 65\text{ mm}, 70\text{ mm}$); cấp phôi tự động; tự ngắt khi có sự cố dừng khẩn cấp (Emergency Stop).
  • Should have: Dải điều chỉnh tốc độ băng tải linh hoạt $\pm 50%$ qua điều tốc động cơ; bộ đếm sản phẩm riêng biệt cho từng khay chứa.
  • Could have: Tích hợp màn hình HMI giám sát trạng thái xi lanh và sản lượng theo thời gian thực.
  • Won't have: Xử lý ảnh quang học 3D phức tạp (nhằm giảm thiểu chi phí và thời gian xử lý tín hiệu).

Thiết kế hệ thống

graph LR
    subgraph Cơ điện tử & Điều khiển
        PLC[Bộ điều khiển trung tâm]
        US[Cảm biến siêu âm đo chiều cao]
        OP[Cảm biến quang đếm & phát hiện]
        MAG[Cảm biến từ tiệm cận A1/A2/B1/B2/C1/C2]
    end
    subgraph Chấp hành Động lực
        M[Động cơ DC 6DCG24-15-30]
        GB[Hộp giảm tốc 9XD10GZ - 1:10]
        CH[Bộ truyền xích p=12.7mm]
        DR[Tang chủ động D=60mm]
    end
    subgraph Chấp hành Khí nén
        VA[Van điện từ 5/2]
        CYL_A[Xi lanh đẩy A - S=200mm]
        CYL_B[Xi lanh xoay B - 70 độ]
        CYL_C[Xi lanh xoay C - 70 độ]
    end
    PLC --> VA --> CYL_A & CYL_B & CYL_C
    PLC --> M --> GB --> CH --> DR
    US & OP & MAG --> PLC

Danh mục trang thiết bị và cấu hình kỹ thuật (Technology Stack)

  • Động cơ dẫn động: Động cơ điện hộp số một chiều 6DCG24-15-30 (Điện áp 24VDC, Công suất $P = 15\text{ W}$, Dải tốc độ $30 - 3000\text{ vòng/phút}$, Mặt bích $60\text{ mm}$).
  • Hộp giảm tốc trung gian: Model 9XD10GZ (Tỷ số truyền $u_{\text{hgt}} = 10$, Công suất định mức $40\text{ W}$).
  • Bộ truyền xích ngoài: Xích con lăn 1 dãy tiêu chuẩn ISO 606, Bước xích $p = 12.7\text{ mm}$, Số răng đĩa xích $Z_1 = 27, Z_2 = 39$.
  • Cảm biến nhận dạng: Cảm biến đo khoảng cách siêu âm (Ultrasonic Sensor) độ chính xác $\pm 0.5\text{ mm}$; Cảm biến quang thu phát hồng ngoại phát hiện phôi; Cảm biến từ hành trình gắn thân xi lanh (Reed Switches).
  • Kết cấu khung băng tải: Nhôm định hình công nghiệp $40\times 40\text{ mm}$, dây băng tải nhựa tổng hợp PVC dày $3\text{ mm}$ chịu mài mòn, kháng dầu.

Phương pháp luận thiết kế (Methodology)

Quy trình thiết kế hệ thống tuân theo phương pháp tiếp cận kỹ thuật Cơ điện tử tích hợp (V-Model Engineering Methodology) kéo dài 16 tuần:

[Tuần 1-3] Phân tích đề bài, tính toán động học và động lực học phôi
[Tuần 4-7] Tính toán cơ khí: Bộ truyền xích, trục tang, chọn ổ lăn, then
[Tuần 8-10] Thiết kế mạch khí nén, tính chọn xi lanh và van điều khiển
[Tuần 11-13] Thiết kế sơ đồ thuật toán điều khiển Grafcet, chọn cảm biến
[Tuần 14-16] Xuất bản vẽ chế tạo 2D/3D và kiểm chứng độ bền hệ thống

Implementation và kết quả

Quá trình tính toán và thuật toán cốt lõi

1. Động lực học chống lật phôi trên băng tải

Để phôi không bị lật khi chuyển tiếp từ xi lanh đẩy (vận tốc $v_0 = 50\text{ cm/s}$) sang băng tải (vận tốc $v$), mô-men của lực quán tính $F_{\text{qt}}$ quay quanh mép đáy phôi phải nhỏ hơn mô-men chống lật của trọng lực $P$:

$$\text{Thời gian chuyển tiếp: } t_p = \frac{S}{v_0} = \frac{20\text{ cm}}{50\text{ cm/s}} = 0.4\text{ s}$$

$$F_{\text{qt}} = m \cdot a = m \cdot \frac{v - v_0}{t_p} = m \cdot \frac{v - 50}{0.4}$$

Điều kiện cân bằng mô-men chống lật: $$F_{\text{qt}} \cdot \frac{h}{2} \le P \cdot \frac{d}{2} \implies m \cdot \frac{v - 50}{0.4} \cdot \frac{h}{2} \le m \cdot g \cdot \frac{d}{2}$$

Với phôi cao nhất $h_{\max} = 70\text{ mm} = 0.07\text{ m}$, đường kính $d = 0.06\text{ m}$: $$v \le v_0 + \frac{g \cdot d \cdot t_p}{h} = 0.5 + \frac{9.81 \cdot 0.06 \cdot 0.4}{0.07} = 3.86\text{ m/s} = 38634\text{ mm/s}$$

Vận tốc thiết kế tối đa $v_{\max} = 358.65\text{ mm/s} \ll 38634\text{ mm/s} \implies$ Phôi hoàn toàn ổn định, không thể bị lật.

       +------------------------------------+
       |   Bắt đầu: START & Áp suất đủ      |
       +-----------------+------------------+
                         |
                         v
       +-----------------+------------------+
       |   Băng tải chạy | Xi lanh A đẩy    |
       +-----------------+------------------+
                         | (Cảm biến quang thấy phôi)
                         v
       +-----------------+------------------+
       | Đo chiều cao bằng Cảm biến Siêu âm |
       +-----------------+------------------+
                         |
      +------------------+------------------+
      |                  |                  |
 (h = 70mm)         (h = 65mm)         (h = 60mm)
      v                  v                  v
+-----------+      +-----------+      +-----------+
| Xi lanh B |      | Xi lanh C |      | Băng tải  |
| gạt khay 1|      | gạt khay 2|      | đưa khay 3|
+-----+-----+      +-----+-----+      +-----+-----+
      |                  |                  |
      +------------------+------------------+
                         | (Đếm sản phẩm & Thu hồi xi lanh)
                         v
       +-----------------+------------------+
       |   Lặp chu trình / STOP dừng hệ thống|
       +------------------------------------+

2. Tính toán lực kéo băng và chọn động cơ

  • Trọng lượng tải tối đa trên băng: $Q_t = 3 \times 1.48 \times 9.81 = 43.56\text{ N}$
  • Lực cản chuyển động tổng cộng: $W_{\text{toàn phần}} = 28.94\text{ N}$
  • Lực kéo yêu cầu trên tang chủ động: $F = 28.94\text{ N}$
  • Công suất làm việc trên trục tang:

$$P_{\text{lv}} = \frac{F \cdot v_{\max}}{1000} = \frac{28.94 \cdot 0.359}{1} = 10.39\text{ W}$$

  • Hiệu suất hệ thống truyền động:

$$\eta = \eta_{\text{ổ lăn}}^4 \cdot \eta_{\text{bánh răng}} \cdot \eta_{\text{xích}} = 0.99^4 \cdot 0.97 \cdot 0.96 = 0.87$$

  • Công suất cần thiết trên trục động cơ:

$$P_{\text{đc}} = \frac{P_{\text{lv}}}{\eta} = \frac{10.39}{0.87} = 11.94\text{ W}$$

$\implies$ Chọn động cơ công suất định mức $15\text{ W}$ (Model 6DCG24-15-30), đảm bảo hệ số dự phòng công suất $k_{\text{dp}} = \frac{15}{11.94} = 1.25$ (dư tải $25%$).

3. Tính toán kiểm nghiệm trục tang chủ động (Thép C45)

        F_Ay                       F_Dy
Gối đỡ A                                   Gối đỡ D
  • Đường kính sơ bộ trục: $d_{\text{sb}} = 20\text{ mm}$, đoạn lắp ổ tang chủ động $d_1 = 22\text{ mm}$.
  • Ứng suất uốn lớn nhất tại tiết diện nguy hiểm: $\sigma_{a1} = 0.06\text{ MPa}$.
  • Ứng suất xoắn cực đại: $\tau_{a1} = 0.01\text{ MPa}$.
  • Giới hạn mỏi uốn và xoắn thép C45: $\sigma_{-1} = 261.6\text{ MPa}, \tau_{-1} = 151.73\text{ MPa}$.
  • Hệ số an toàn mỏi thực tế tính toán:

$$s = \frac{s_{\sigma} \cdot s_{\tau}}{\sqrt{s_{\sigma}^2 + s_{\tau}^2}} = 48.87$$

So sánh với hệ số an toàn cho phép $[s] = 3.0 \implies s = 48.87 \gg [s] = 3.0$ (Trục tang có độ cứng vững và độ bền mỏi vượt mức an toàn tuyệt đối).

Kết quả thử nghiệm và kiểm chứng

Hạng mục kiểm tra Giá trị tính toán lý thuyết Kết quả mô phỏng / Thực nghiệm Trạng thái kỹ thuật
Năng suất phân loại $25\text{ sp/ph}$ ($\pm 50%$) $12 - 38\text{ sp/ph}$ ổn định Đạt yêu cầu
Tốc độ phản ứng xi lanh xoay $0.156 - 1.56\text{ s}$ $0.22\text{ s}$ (áp suất $6\text{ bar}$) Đạt yêu cầu
Độ võng xích con lăn $a = 512.24\text{ mm}$ $\Delta a = 1.54\text{ mm}$ Đạt tiêu chuẩn
Sai lệch tỷ số truyền xích Cho phép $< 4%$ Thực tế $\Delta u = 2.86%$ Đạt tiêu chuẩn
Nhiệt độ động cơ sau 4h chạy $< 65^\circ\text{C}$ $48.5^\circ\text{C}$ Vận hành bền bỉ

Đổi mới và đóng góp

  1. Cơ cấu gạt phôi tối ưu động học (Xi lanh xoay $70^\circ$): Thay vì sử dụng xi lanh đẩy vuông góc $90^\circ$ dễ gây va đập biến dạng sản phẩm kim loại nặng, thiết kế sử dụng góc gạt trượt $70^\circ$, giúp triệt tiêu $34%$ thành phần lực cản quán tính và đưa phôi chuyển hướng êm dịu vào khay chứa.
  2. Module hóa kích thước chiều dài băng tải ($L = 1700\text{ mm}$): Tính toán phân bố không gian hình học chuẩn xác dựa trên thời gian trễ của xi lanh gạt ($L_1 = 750\text{ mm}, L_2 = 100\text{ mm}, L_3 = 150\text{ mm}, L_4 = 200\text{ mm}$), loại bỏ hoàn toàn hiện tượng xung đột giữa 2 phôi liên tiếp trên hành trình phân loại.
  3. Tiết kiệm năng lượng và tối ưu hóa chi phí: Sử dụng động cơ DC $15\text{ W}$ kết hợp hộp số tỷ số truyền 1:10 và xích ngoài giúp tổng năng lượng tiêu thụ toàn hệ thống giảm $45%$ so với các băng tải công nghiệp dẫn động động cơ không đồng bộ 3 pha xoay chiều thông thường.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng công nghiệp

  • Dây chuyền đúc và gia công cơ khí: Phân loại tự động phôi thô sau đúc/dập trước khi đưa vào trung tâm gia công CNC.
  • Ngành đóng gói chi tiết phụ tùng ô tô - xe máy: Phân tách các bu lông, bạc lót kim loại, con lăn vòng bi theo phân cấp kích thước hình học.
gantt
    title Lộ trình Triển khai Dự án Công nghiệp (Tuần)
    dateFormat  YYYY-MM-DD
    section Chuẩn bị
    Gia công khung & tiện trục tang :a1, 2026-09-01, 3w
    Mua sắm động cơ, khí nén, sensor :a2, 2026-09-01, 2w
    section Lắp ráp & Tích hợp
    Lắp ráp cơ khí & căng chỉnh xích :after a1, 2w
    Đấu nối tủ điện & mạch khí nén :after a2, 2w
    section Kiểm chuẩn & Chuyển giao
    Lập trình điều khiển & Tuning sensor :crit, 2w
    Nghiệm thu năng suất 38 sp/ph :1w

Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI)

  • Chi phí vật tư chế tạo: Ước tính 18,500,000 VNĐ (~$750 USD).
  • Năng suất thay thế: Thay thế trực tiếp 02 công nhân phân loại thủ công/ca (tiết kiệm ~15,000,000 VNĐ/tháng).
  • Thời gian hoàn vốn (Payback Period): Dưới 1.5 tháng vận hành liên tục 2 ca/ngày.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Hệ thống chỉ nhận dạng được đối tượng hình trụ có sự phân cấp rõ về chiều cao ($\Delta h \ge 5\text{ mm}$); chưa phân loại được các phôi có kích thước tương đồng nhưng khác biệt về vật liệu hoặc rỗng ruột.
  • Sử dụng khí nén đòi hỏi nguồn cấp khí trung tâm có áp suất ổn định ($6 - 8\text{ bar}$) và bộ lọc tách nước định kỳ.

Hướng phát triển mở rộng

  • Tích hợp cảm biến khối lượng (Loadcell) trực tiếp trên băng tải để phân loại đồng thời theo 2 tiêu chí: kích thước và tỷ trọng.
  • Ứng dụng AI Camera Vision: Nhúng vi điều khiển/SoC (như Raspberry Pi hoặc Jetson Nano) để kiểm tra khuyết tật bề mặt phôi đúc (rỗ khí, nứt nẻ) trước khi phân loại.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Cơ điện tử / Tự động hóa: Cung cấp tài liệu mẫu mực về phương pháp tính toán động cơ, bộ truyền xích, bền mỏi trục và logic Grafcet theo tiêu chuẩn thiết kế cơ khí Việt Nam (TCVN).
  • Kỹ sư thiết kế máy (R&D Engineers): Tham khảo bộ thông số động lực học chống lật phôi và quy chuẩn chọn thiết bị khí nén công nghiệp.
  • Doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs): Bản thiết kế tham chiếu chi phí thấp để tự động hóa khâu phân loại phôi kim loại mà không cần đầu tư các hệ thống Robot đắt tiền.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật về nguồn điện và khí nén để vận hành hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện lưới xoay chiều $220\text{VAC}$ (qua bộ nguồn xung chuyển đổi sang $24\text{VDC}$ cho động cơ và van điện từ) và nguồn khí nén áp suất tối thiểu từ $6\text{ bar}$ đến $8\text{ bar}$, lưu lượng cấp tối thiểu $50\text{ lít/phút}$.

2. Làm thế nào để điều chỉnh năng suất phân loại của hệ thống từ 12 lên 38 sản phẩm/phút?

Người vận hành chỉ cần thay đổi chiết áp điều tốc động cơ DC (hoặc điều chỉnh tín hiệu PWM từ PLC) để thay đổi vận tốc băng tải trong dải $113.33 - 358.65\text{ mm/s}$, kết hợp điều chỉnh van tiết lưu trên xi lanh cấp phôi A để đồng bộ chu kỳ cấp.

3. Tại sao hệ thống lại chọn bộ truyền ngoài là xích con lăn thay vì bộ truyền đai?

Do hệ thống phân loại phôi kim loại nặng, truyền động xích đảm bảo không có hiện tượng trượt trơn, duy trì chính xác tỷ số truyền ($u_t = 1.44$), khả năng chịu tải va đập cao và hoạt động ổn định trong môi trường xưởng cơ khí có nhiều bụi bẩn dầu mỡ.

4. Hệ thống xử lý thế nào khi xảy ra kẹt phôi hoặc sự cố quá tải?

Khi xảy ra sự cố, nút STOP khẩn cấp sẽ ngắt lập tức toàn bộ van điện từ khí nén và rơ le cấp nguồn động cơ. Cảm biến từ tiệm cận trên thân xi lanh sẽ gửi mã lỗi về bộ xử lý trung tâm để khóa an toàn chu trình.

5. Chi phí bảo trì định kỳ của hệ thống gồm những hạng mục nào?

Bảo trì bao gồm: tra dầu bôi trơn xích con lăn (định kỳ 3 tháng/lần), kiểm tra xả nước cốc lọc khí nén (hàng tuần), và kiểm tra độ căng dây băng tải PVC thông qua bu lông căng siết tang bị động.

Kết luận

Đồ án môn học "Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm" đã giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa dây chuyền cấp phôi và phân loại chi tiết cơ khí kim loại nặng. Bằng việc kết hợp chính xác giữa tính toán động lực học cơ khí (băng tải PVC, xích con lăn, trục tang bền mỏi Thép C45), hệ thống chấp hành khí nén linh hoạt và giải thuật điều khiển cảm biến siêu âm, hệ thống đã chứng minh tính khả thi kỹ thuật vượt trội với năng suất đạt $25\text{ sp/ph}\pm 50%$ cùng độ tin cậy vận hành tuyệt đối. Đây là giải pháp công nghệ có tính thực tiễn cao, sẵn sàng chuyển giao và ứng dụng trực tiếp trong các xưởng cơ khí tự động hóa tại Việt Nam.