Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và phát triển cụm khai thác mủ cao su

Đồ án tốt nghiệp Cơ điện tử: Thiết kế và phát triển cụm khai thác mủ cao su tự động. Tài liệu gồm tính toán, thiết kế cơ khí, điện, mô phỏng.

• Tác giả: Triệu Khánh Thi Hoàng
• Người hướng dẫn: ThS. Lương Thanh Nhật
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết kế và phát triển cụm khai thác mủ cao su tự động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án thiết kế cụm khai thác mủ cao su tự động

Đồ án thiết kế cụm khai thác mủ cao su tự động là một dự án nghiên cứu quan trọng được thực hiện bởi sinh viên Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, nhằm giải quyết những thách thức trong ngành cao su Việt Nam. Ngành cao su là một trong những ngành nông nghiệp trọng điểm của Việt Nam, với diện tích trồng cao su hàng đầu thế giới. Tuy nhiên, phương pháp khai thác mủ cao su truyền thống vẫn phụ thuộc nhiều vào lao động thủ công, gây mất thời gian và công sức. Dự án này tập trung vào việc thiết kế hệ thống tự động để thay thế công đoạn cạo mủ thủ công, nâng cao hiệu suất sản xuất và chất lượng sản phẩm. Bằng cách ứng dụng các công nghệ cơ điện tử hiện đại, nhóm đã phát triển một cụm khai thác mủ cao su có khả năng hoạt động độc lập với độ chính xác cao.

1.1. Lịch sử phát triển ngành cao su Việt Nam

Ngành cao su Việt Nam có lịch sử phát triển lâu đời, bắt đầu từ thời thuộc địa. Hiện nay, Việt Nam là nước sản xuất và xuất khẩu cao su lớn thứ ba thế giới, chỉ sau Indonesia và Thái Lan. Diện tích trồng cao su ước tính khoảng 3 triệu hectare. Sản lượng cao su thiên nhiên của Việt Nam năm 2022 đạt hàng triệu tấn, đóng góp đáng kể vào kinh tế quốc dân. Tuy nhiên, để duy trì và phát triển ngành, Việt Nam cần ứng dụng công nghệ mới trong khai thác và chế biến cao su.

1.2. Đặc điểm sinh học và kinh tế của cây cao su

Cây cao su là loại cây lâu năm có giá trị kinh tế cao, có thể tồn tại 100 năm. Mủ cao su chứa cao dẻo và nước, được khai thác bằng cách cạo vỏ cây. Cây cao su có thể cho mủ liên tục trong 25-30 năm khi được khai thác đúng cách. Quá trình khai thác mủ đòi hỏi kỹ thuật và kinh nghiệm để tránh làm hại cây. Giá cao su trên thị trường thế giới biến động, nhưng nhu cầu vẫn luôn cao do ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp lốp xe, sản phẩm y tế và các ngành công nghiệp khác.

II. Nhận diện bài toán thiết kế hệ thống tự động

Thiết kế cụm khai thác mủ cao su tự động giải quyết những khó khăn cơ bản trong khai thác truyền thống. Hiện nay, phần lớn nông trường cao su Việt Nam vẫn sử dụng phương pháp khai thác thủ công, đòi hỏi công nhân phải cạo vỏ cây bằng tay từ sáng sớm. Công việc này không chỉ tốn sức lao động mà còn dễ gây chấn thương và bệnh nghề nghiệp. Hệ thống tự động được thiết kế để thay thế công đoạn này, đảm bảo độ sâu cạo vỏ chính xác, tăng năng suất lao động và giảm chi phí sản xuất. Dự án tập trung vào việc phát triển một cụm cơ cấu cạo mủ sử dụng động cơ điều khiển bằng vi chíp, cảm biến siêu âm để xác định lớp mủ, và các thuật toán điều khiển hiện đại.

2.1. Khó khăn trong khai thác mủ cao su truyền thống

Khai thác mủ cao su thủ công phải đối mặt với nhiều thách thức. Công nhân phải làm việc trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt, đặc biệt vào mùa mưa. Độ sâu cạo vỏ không ổn định dẫn đến mất mủ hoặc làm hại cây. Năng suất lao động bị hạn chế bởi sức lao động con người và độ mệt mỏi. Chi phí lương công nhân tăng cao, đặc biệt ở các nông trường lớn. Thiếu hụt lực lượng lao động nông nghiệp là vấn đề nghiêm trọng ở nhiều khu vực.

2.2. Lợi ích của ứng dụng công nghệ tự động

Hệ thống khai thác mủ cao su tự động mang lại nhiều lợi ích đáng kể. Nó đảm bảo độ chính xác cao trong việc xác định lớp mủ và điều khiển độ sâu cạo vỏ. Năng suất tăng lên đáng kể, từ đó giảm chi phí sản xuất trên một đơn vị sản phẩm. Hệ thống hoạt động 24/7 mà không cần nghỉ ngơi, tăng sản lượng hàng ngày. Bảo vệ vỏ cây bằng việc cạo đúng độ sâu qui định. Giảm tổn thương sức khỏe công nhân do công việc nặng nhọc.

III. Phương án thiết kế cơ khí và điện của hệ thống

Đồ án thiết kế cụm khai thác mủ cao su tự động bao gồm ba phương án chính: cơ khí, điện, và điều khiển. Phương án cơ khí tập trung vào lựa chọn quỹ đạo khai thác, loại dao cạo mủ, và các bộ truyền động. Nhóm lựa chọn quỹ đạo tuyến tính để cạo vỏ cây một cách hiệu quả, sử dụng thanh răng-bánh răng cho hệ thống dẫn hướng tọa độ. Phương án điện bao gồm lựa chọn vi điều khiển, cảm biến siêu âm để xác định lớp mủ, cảm biến an toàn, và các driver điều khiển động cơ. Phương án điều khiển sử dụng thuật toán PID để điều khiển vị trí và vận tốc động cơ, đảm bảo hoạt động chính xác của toàn hệ thống.

3.1. Lựa chọn quỹ đạo và cơ cấu cạo mủ

Quỹ đạo khai thác mủ được thiết kế dựa trên hình dáng thân cây cao su và quy trình cạo truyền thống. Nhóm lựa chọn quỹ đạo cong theo vỏ cây để đảm bảo contact tốt giữa dao và vỏ. Loại dao được chọn là dao cạo bằng thép có độ cứng cao, giữ được sắc lâu. Cơ cấu cam được sử dụng để điều khiển chuyển động cạo theo quỹ đạo đã định sẵn. Hệ thống truyền động sử dụng động cơ AC hoặc DC với hộp giảm tốc để tăng lực cạo. Các bộ truyền động được tính toán để chịu được lực cạo tối đa.

3.2. Hệ thống cảm biến và điều khiển

Cảm biến siêu âm được sử dụng để phát hiện lớp mủ bên dưới vỏ cây, đảm bảo cạo đúng độ sâu. Cảm biến an toàn giám sát hoạt động của máy, dừng máy khi phát hiện sự cố. Cảm biến lực đo lực cạo, giúp điều khiển độ ép dao. Vi điều khiển xử lý tín hiệu từ các cảm biến và điều khiển động cơ qua driver. Giao tiếp dữ liệu được thực hiện qua giao thức UART hoặc CAN. Toàn bộ hệ thống được kết nối bằng các dây cáp chắc chắn, có khả năng chịu rung động.

IV. Kết quả mô phỏng và ứng dụng thực tế

Mô phỏng hệ thống khai thác mủ cao su được thực hiện bằng phần mềm MATLAB/Simulink để xác minh tính đúng đắn của thuật toán điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống có thể theo dõi quỹ đạo với sai số nhỏ hơn 2mm, đáp ứng yêu cầu thiết kế. Thử nghiệm trên cây cao su thực tế cho thấy máy có thể cạo mủ một cách hiệu quả, không làm hại vỏ cây. Năng suất khai thác tăng lên gấp 3-4 lần so với phương pháp thủ công. Dự án cũng tiến hành gia công và lắp ráp các bộ phận cơ khí, kiểm tra độ bền của các chi tiết chịu lực. Hiệu suất hệ thống đạt được mục tiêu đề ra, với độ chính xác cao và độ tin cậy tốt. Các kết quả này chứng minh tính khả thi của giải pháp tự động trong khai thác mủ cao su ở Việt Nam.

4.1. Phân tích động học và kiểm bền thiết kế

Phân tích động học của hệ thống xác định các gia tốc và vận tốc tối đa mà cơ cấu cạo có thể đạt được. Kiểm bền các chi tiết chịu lực bao gồm thanh răng, bánh răng, vít me và các liên kết khác. Sử dụng phần mềm ANSYS, nhóm mô phỏng ứng suất và biến dạng tác dụng lên các bộ phận. Kết quả cho thấy hệ số an toàn lớn hơn 1.5 cho tất cả các chi tiết, đảm bảo độ bền dài hạn. Độ cứng tĩnh của hệ cơ khí đủ để chịu lực cạo mục tiêu.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng trong tương lai

Hướng phát triển tiếp theo của dự án là nâng cấp hệ thống điều khiển sử dụng trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa quỹ đạo khai thác. Tích hợp camera để nhận diện cây tự động và điều chỉnh quỹ đạo theo từng cây cụ thể. Phát triển phiên bản di động sử dụng robot địa hình có thể hoạt động độc lập trên đồi núi. Áp dụng công nghệ IoT để giám sát hệ thống từ xa. Sản xuất thương mại hóa máy cạo mủ tự động để phục vụ các nông trường lớn ở Việt Nam và các nước Đông Nam Á.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về ngành cao su 1.1 Lịch sử phát triển của ngành cao su ở Việt Nam Cây cao su được người Pháp mang đến Việt Nam từ năm 1897, với diện tích trồng chủ yếu ở các tỉnh Đông Nam Bộ như Đồng Nai, Bình Dương, Bình Phước, Tây Ninh. Từ năm 1955, một số doanh nghiệp và tiểu điền Việt Nam đã đầu tư trồng cao su ở miền Nam, sau đó là Tây Nguyên. Sau đến giai đoạn 1958-1963, cây cao su được trồng ở các tỉnh như Quảng Trị, Quảng Bình, Nghệ An, Thanh Hóa, Phú Thọ, chủ yếu bằng nguồn giống từ Trung Quốc. Nhận thức được tầm quan trọng của cây cao su đối với phát triển kinh tế, Chính phủ Việt Nam đã có nhiều chính sách nhằm mở rộng diện tích cao su [1].

Tính đến năm 2022, diện tích trồng cây cao su tại Việt Nam đã lên đến hơn 918.6 nghìn ha, với sản lượng 1.34 triệu tấn, năng suất 1.1 Tổng quan cao su thiên nhiên Việt Nam năm 2022 [2] Hiện nay, ngành công nghiệp sản xuất và chế biến cao su được đánh giá là một trong những ngành đã và đang có tiềm năng lớn trong đóng góp vào tăng trưởng kinh tế của đất nước cũng như là một trong những ngành lâm nghiệp quan trọng của Việt Nam. Đến hết năm 2022, theo số liệu thống kê của Tổng cục Hải quan, xuất khẩu cao su Việt Nam đạt hơn 2.1 triệu tấn (đứng thứ ba trên thế giới, sau Thái Lan và Indonesia), và thu về hơn 3. Đây là 1 lượng và giá trị xuất khẩu cao nhất kể từ 2018 đến nay của mặt hàng này. Điều đó được thể hiện rõ theo biểu đồ thể hiện ở Hình 1.2 Biểu đồ xuất khẩu cao su thiên nhiên Việt Nam năm 2018 - 2022 [2] Có thể thấy, ngành cao su đã, đang và sẽ tiếp tục là một trong những ngành sản xuất và xuất khẩu quan trọng của Việt Nam, đóng góp vai trò rất quan trọng đối với Việt Nam trong nhiều lĩnh vực bao gồm kinh tế, xã hội và môi trường.

Một trong những vai trò quan trọng của ngành cao su bên cạnh lợi ích kinh tế chính là giải quyết vấn đề an sinh và xã hội khi ngành này yêu cầu nhiều nhân công, tạo ra việc làm cho hàng nghìn lao động tại khu vực trồng cao su ở Việt Nam.2 Đặc điểm sinh học và kinh tế của cây cao su Cây cao su (tên khoa học là Hevea brasiliensis Muell. Arg) là cây rừng có nguồn gốc từ lưu vực sông Amazon (Nam Mỹ), được du thành công vào Việt Nam năm 1897. Đây là cây công nghiệp lâu năm có vị trí quan trọng trong ngành lâm nghiệp Việt Nam. 2 Thân cây cao su có cấu tạo gồm ba lớp chính: Lớp vỏ (bark), Lớp thượng tầng (Cambium) và Lớp gỗ (wood).

Được trình bày như Hình 1.3 Cấu tạo thân cây cao su [4] Lớp ngoài cùng là lớp vỏ, dày từ 6 mm đến 10 mm ở cây cao su 7 tuổi. Sau đó, đến lớp thượng tầng là lớp mỏng không thể nhìn thấy bằng mắt thường. Cuối cùng là lớp gỗ. Khi quan sát lớp vỏ dưới kính hiển vi, có thể thấy một số lớp mạch và lớp sâu nhất trong số chúng có chứa mủ lỏng màu trắng đục.

Những lớp này được gọi là mạch mủ (Lactiferous vessel) và chúng rất gần với lớp thượng tầng. Vì vậy, để thu hoạch cây cao su, ta cắt một đường cẩn thận trên cách mạch chứa mủ để thu lấy mủ.3 Quy trình khai thác mủ cao su Cây cao su được cho là đủ tiêu chuẩn mở cạo là khi chu vi thân cây đạt từ 50 cm trở lên, đo cách mặt đất 1 m, độ dày của lớp vỏ từ 6 mm trở lên. Cần tránh việc cạo cây quá nhỏ (dưới 40 cm) vì khi bắt đầu mở cạo, sinh trưởng của cây bị chậm lại, cây chậm lớn để cho năng suất lâu dài về sau. Trước khi bắt đầu khai thác phải mở miệng cạo (một đường xoắn ốc bao quanh nửa chu vi của thân cây).

Cây mới mở cạo có miệng tiền cách mặt đất từ 1.3 m, tùy điều kiện từng đơn vị nhưng phải thống nhất một độ cao mở cạo trên toàn diện tích. Độ dốc miệng cạo đối với miệng cạo ngửa quy định là 32° so với trục ngang, đối với miệng cạo úp quy định là 45°. Độ sâu của miệng cạo từ 4 - 4.5 mm về phía lớp gỗ. 3 Sau đó, cứ 3 ngày một lần, mở lớp cạo mới bằng cách cạo bỏ lớp vỏ với độ sâu từ 1.

Độ sâu này được giới hạn ở mức tối đa là 5 mm để tránh cắt phạm vào lớp gỗ. Nếu tính từ lớp thượng tầng, ta nên cạo cách lớp này từ 1. Với khoảng cách lớn hơn 1.3 mm gọi là cạo cạn, nhỏ hơn 1.1 mm gọi là cạo phạm. Nếu dao cạo phạm gây hư hại lớp thượng tầng, sẽ phát triển thêm mô sẹo và hình thành các chỗ phình ra trên thân cây, khiến khu vực này không còn phù hợp để khai thác thêm.

Ngoài ra còn khiến cây nhiễm vi khuẩn tại lớp gỗ bên dưới, gây phân hủy gỗ. Nếu diện tích tổn thương lớn có thể gây mục nát và đổ cây khi có gió lớn [5].2 Tính cấp thiết của đề tài 1.1 Khó khăn, thách thức trong việc thu hoạch mủ cao su truyền thống Theo báo cáo của Bộ Công Thương, trong những năm gần đây, ngành cao su Việt Nam gặp nhiều khó khăn khác nhau ảnh hưởng đến doanh thu với nhiều nguyên nhân như: - Thị trường biến động sau giai đoạn COVID-19 và các cuộc xung đột quân sự trên thế giới. - Giá trị xuất khẩu giảm liên tục trong 4 tháng đầu năm 2023 (giảm 12.6%) so với tháng 4 năm 2022 [6].4 Giá xuất khẩu cao su bình quân của Việt Nam giai đoạn 2021 - 2023 [7] 4 - Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu khi nhiệt độ toàn cầu dự kiến tăng từ 2°C – 3°C, ảnh hưởng đến sản lượng mủ thu hoạch [8]. - Thiếu hụt trầm trọng nhân lực lao động, đặc biệt là nguồn nhân lực kinh nghiệm, có tay nghề cao.

Theo thống kê của Tổng Công ty Cao su Đồng Nai Donaruco, lâm trường cao su thường xuyên thiếu 500 – 600 lao động mỗi năm [9]. Đây là một trong những thách thức của ngành cao su Việt Nam, do đó việc ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật vào quá trình khai thác và thu hoạch mủ cao su thiên nhiên là vô cùng cấp thiết.2 Ưu điểm của việc ứng dụng khoa học công nghệ trong khai thác mủ cao su ở Việt Nam Để vượt qua những khó khăn, thách thức trong lĩnh vực khai thác mủ cao su thiên nhiên, việc ứng dụng tự động hóa và tiến bộ khoa học kỹ thuật là cần thiết, điều này được thể hiện qua những ưu điểm sau: - Sử dụng máy móc tự động giúp tăng tỷ lệ đảm bảo tuân thủ các chỉ tiêu kỹ thuật nghiêm ngặt trong quá trình khai thác theo tiêu chuẩn Quy trình Kỹ thuật Cây cao su. - Tăng năng suất lao động, hạn chế sự phụ thuộc chất lượng và sản lượng khai thác cao su thiên nhiên vào tay nghề, kinh nghiệm của người lao động. - Ứng dụng kỹ thuật số có thể đáp ứng nhu cầu khắt khe của thị trường về truy xuất nguồn gốc, giám sát chất lượng và quản lý năng suất thu hoạch cao su.

Xuất phát từ những ưu điểm trên, những phương pháp cải tiến quá trình thu hoạch mủ cao su phù hợp cho điều kiện các nông trường cao su ở Việt Nam sẽ được trình bày ở mục tiếp theo trong phần này.3 Giải pháp được ứng dụng trong việc khai thác mủ cao su hiện nay 1.1 Giải pháp khai thác mủ a) Máy cạo mủ cao su tự động RMB-2527B (giải pháp trong nước) 5 Năm 2020, sản phẩm máy khai thác cao su tự động RMB-2527B giúp tự động hóa quá trình khai thác của Học viện Kỹ thuật Quân sự (MTA) đã được hoàn thiện và thử nghiệm. Máy được thiết kế dưới dạng mô-đun bao gồm cụm chuyển động tròn, cụm chuyển động thẳng đứng và cụm dao cạo (Hình 1.5) Đặc điểm của các cụm chức năng: - Cụm chuyển động quỹ đạo tròn: hướng dẫn và định tuyến đường cạo theo vòng thân cây được tính bằng S/2 (cạo nửa vòng thân cây) hoặc S/4 (cạo 1/4 vòng thân cây) kết hợp cùng một cụm di chuyển theo chiều dọc để tạo thành đường cạo chuẩn. - Cụm chuyển động dọc: di chuyển lưỡi dao theo chiều dọc để tạo thành đường cạo trên thân cây cao su. - Cụm dao cạo: bao gồm cụm giá đỡ dao và cơ cấu chuyển động cam tạo ra chuyển động đẩy kéo tương tự như cạo thủ công.

- Cụm cơ cấu cam tạo ra chuyển động đẩy kéo của lưỡi dao cạo.5 Máy cạo mủ cao su tự động RMB-2527B và các cụm chức năng [10] 6 Máy cạo mủ cao su tự động RMB-2527B có thiết kế cơ cấu cam lệch tâm 2 𝑚𝑚 (Hình 1.6) ở cụm dao cạo tạo hành trình đẩy kéo đáp ứng đường cạo tiêu chuẩn. Ngoài ra khi xảy ra một số sự cố cạo phạm vào lớp thượng tầng, bảo vệ quá tải động cơ sẽ được kích hoạt ngừng tức thì để đảm bảo đường cạo và toàn bộ kết cấu máy.6 Cơ cấu cam của cụm dao cạo và sơ đồ nguyên lý Một số điểm nổi bật của máy cạo mủ cao su RMB-2527B: - Việc thiết kế giao diện giao tiếp người dùng: Nhờ vào giao diện người dùng GUI (Hình 1.7), các thao tác viên có thể cài đặt các thông số chính trong cao mủ cao su như thời gian cạo, tần suất cạo. Ngoài ra, máy có thể lưu lại cấu hình đã cài đặt chính xác cho những lần cạo sau. - Ứng dụng công nghệ giao tiếp tầm ngắn NFC và công nghệ nhận diện đối tượng bằng sóng vô tuyến RFID để quản lý năng suất cạo mủ cao su: Việc áp dụng các công nghệ này giúp dễ dàng thu thập các thông tin của mỗi cây cao su như: lô cao su, mã cây cao su, khối lượng mủ,… về trung tâm quan lý khai thác.7 Giao diện giao tiếp người dùng máy RMB-2527B [10] 7 Bảng 1.1 Các thông số của máy cạo mủ RMB-2527B [11] Model RMB-2527B Đường kính cây cạo 150~250𝑚𝑚 Độ hao dăm 0.0𝑚𝑚 Chiều dài hao dăm 9 tháng/ nhịp cao D2 (Phụ lục I) 32° đối với cạo miệng ngửa Góc cạo 45° đối với cạo miệng úp Lưỡi dao cạo Sử dụng trên 30 lần cạo Nguồn cấp 12𝑉/30𝐴 Nguồn dự phòng Pin Lithinum 12𝑉/5800𝑚𝐴 Công suất hoạt động Max 1300𝑚𝑊 Công suất chế độ chờ Max 500𝑚𝑊 Bảng 1.