Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh công nghiệp 4.0 và quá trình chuyển đổi số trong sản xuất công nghiệp, tự động hóa các khâu trung gian đóng vai trò quyết định đến năng suất và chất lượng sản phẩm. Theo thống kê từ Hiệp hội Tự động hóa Quốc tế (ISA), các khâu phân loại thủ công truyền thống chiếm tới 25–35% tổng thời gian xử lý dây chuyền nhưng lại có tỷ lệ lỗi phát sinh do yếu tố con người dao động từ 5% đến 8%. Đối với các ngành công nghiệp chế tạo, đóng chai (nước giải khát, hóa chất) và chế biến bao bì, việc chuyển đổi từ phân loại thủ công sang dây chuyền tự động hóa khép kín là nhu cầu cấp thiết nhằm tối ưu hóa chi phí vận hành (OPEX).

Đề tài "Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao" giải quyết triệt để bài toán phân loại tự động cho các sản phẩm hình trụ có kích thước đường kính $d = 180 - 220\text{ mm}$, chiều cao thay đổi theo các cấp phân loại và dải khối lượng phôi từ $Q_{\min} = 0,2\text{ kg}$ đến $Q_{\max} = 5,0\text{ kg}$ (tính toán tải đỉnh 6,0 kg).

+-------------------------------------------------------------------------+
|                          HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM                    |
|                                                                         |
|  [Cấp phôi tự động] ---> [Băng tải PVC] ---> [Cảm biến quang 3 cấp]     |
|         |                      |                     |                  |
|     (Xylanh 1)          (Động cơ 0.55kW)     (H1 / H2 / H3)             |
|                                                      |                  |
|                                            [PLC / Khối xử lý]           |
|                                                      |                  |
|                           [Tay đẩy khí nén 1, 2, 3] <--+                |
|                                      |                                  |
|                            +---------+---------+                        |
|                            |         |         |                        |
|                         [Thùng 1] [Thùng 2] [Thùng 3]                   |
+-------------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu kỹ thuật cụ thể của dự án

  1. Thiết kế kết cấu cơ khí chính xác: Tính toán động học và động lực học hệ thống băng tải PVC dài $L = 2773\text{ mm}$, bề rộng khả dụng $W = 300\text{ mm}$, tang dẫn động $D = 160\text{ mm}$.
  2. Tính toán hệ thống dẫn động: Lựa chọn động cơ không đồng bộ 3 pha kết hợp hộp giảm tốc trục vít/bánh răng ($u_{\text{hgt}} = 5$) và bộ truyền xích con lăn ($u_x = 3, t = 19,05\text{ mm}$) đạt công suất $P = 0,55\text{ kW}$.
  3. Phát triển cụm chấp hành khí nén: Thiết kế hệ thống cấp phôi và 3 cụm tay gạt/đẩy sử dụng piston khí nén tác động kép điều khiển qua cụm van điện từ 5/2.
  4. Tích hợp cảm biến và điều khiển: Sử dụng mảng cảm biến quang điện thu phát hồng ngoại (Omron E3Z series) phát hiện chính xác phôi theo 3 ngưỡng độ cao với độ trễ phản hồi $< 20\text{ ms}$.
  5. Đạt chỉ tiêu năng suất công nghiệp: Đảm bảo hệ thống vận hành liên tục với năng suất $N = 30\text{ sản phẩm/phút}$ ($0,5\text{ sp/s}$), vận tốc băng tải ổn định $v = 346\text{ mm/s}$ ($0,346\text{ m/s}$).

Phạm vi giới hạn của đồ án tập trung vào tính toán sức bền vật liệu cơ khí, thiết kế chi tiết máy, sơ đồ khí nén và giải thuật phân loại cho dòng sản phẩm trụ đứng kích thước xác định trong môi trường nhà xưởng tiêu chuẩn.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Hiện nay trên thị trường có nhiều phương pháp phân loại sản phẩm tự động, mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng phù hợp với từng phân khúc ứng dụng:

Phương pháp phân loại Độ chính xác Chi phí đầu tư Tốc độ xử lý Độ phức tạp bảo trì Môi trường tối ưu
Thủ công (Manual) 92 – 95% Thấp (nhưng OPEX cao) Chậm ($< 15\text{ sp/ph}$) Thấp Xưởng thủ công nhỏ
Cảm biến quang + Khí nén (Giải pháp đề tài) 99,2 – 99,8% Trung bình Nhanh ($30 - 60\text{ sp/ph}$) Thấp – Trung bình Đóng chai, linh kiện cơ khí, bao bì
Xử lý ảnh AI (Machine Vision) 99,5 – 99,9% Rất cao Rất nhanh ($> 120\text{ sp/ph}$) Cao (cần chuyên gia AI/IT) Điện tử chính xác, dược phẩm
Cân định lượng (Checkweigher) 98,5 – 99,0% Cao Trung bình ($20 - 40\text{ sp/ph}$) Trung bình Xi măng, phân bón, nông sản

Phân tích yêu cầu theo mô hình MoSCoW

  • Must Have (Bắt buộc): Băng tải tải được 4 phôi đồng thời ($Q_{\max} = 5\text{ kg/phôi}$), cụm cấp phôi đồng bộ, 3 cụm piston đẩy phân loại chính xác theo chiều cao, nút dừng khẩn cấp (E-Stop).
  • Should Have (Nên có): Bộ điều tốc biến tần cho động cơ, van tiết lưu tinh chỉnh vận tốc tịnh tiến xylanh, hệ thống dẫn hướng chống lật phôi.
  • Could Have (Có thể mở rộng): Cảm biến đếm sản phẩm số lượng lưu trữ theo ca làm việc, màn hình HMI giám sát trạng thái van từ.
  • Won't Have (Không thực hiện trong pha này): Camera kiểm tra khuyết tật bề mặt phôi, cánh tay Robot gắp xếp Pallet (AGV).

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc hệ thống được chia làm 3 phân hệ chính tương tác chặt chẽ: Cơ khí truyền động, Truyền động khí nén và Mạch cảm biến - điều khiển logic.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                              KIẾN TRÚC PHÂN HỆ HỆ THỐNG                           |
|                                                                                   |
|  [PHÂN HỆ CƠ KHÍ]          [PHÂN HỆ ĐIỀU KHIỂN & CẢM BIẾN]   [PHÂN HỆ KHÍ NÉN]    |
|  - Động cơ 4A80B8Y3 0.55kW - PLC / Vi điều khiển trung tâm    - Máy nén khí 6 bar |
|  - Hộp giảm tốc (u=5)      - 3x Cảm biến Omron E3Z-LS         - Cụm FRL lọc dầu   |
|  - Bộ truyền xích t=19.05  - Cảm biến từ vị trí xylanh Reed   - Van điện từ 5/2   |
|  - Dây băng PVC dày 4mm    - Rơle bán dẫn & Nguồn tổ ong 24V  - 4x Piston khí nén |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Bảng thông số công nghệ và thiết bị phần cứng

Thành phần Mã hiệu / Quy cách Thông số kỹ thuật chính Nhà sản xuất / Tiêu chuẩn
Động cơ điện 4A80B8Y3 $P = 0,55\text{ kW}, n = 675\text{ v/ph}, \eta = 84%$ Tiêu chuẩn GOST / IEC
Dây băng tải PVC Synthetic Dày $\delta = 4\text{ mm}, W = 300\text{ mm}, [\sigma_a] = 8\text{ MPa}$ Chống mài mòn, chống trượt
Bộ truyền xích Xích ống con lăn đơn Bước $t = 19,05\text{ mm}, z_1 = 19, z_2 = 57, a = 381,5\text{ mm}$ Thép 45 tôi HRC 45
Piston khí nén Dòng SC/CDQ2 tiêu chuẩn Hành trình $S = 150\text{ mm}$, nòng piston $D_{\text{piston}} = 32\text{ mm}$ SMC / Airtac
Van điều khiển Van đảo chiều 5/2 Điện áp cuộn Coil 24V DC, lưu lượng 0,8 Cv Festo / Airtac
Cảm biến quang Omron E3Z-T82 / E3Z-LS Thu phát độc lập / phản xạ khuếch tán, range 2m Omron Electronics

Methodology

Quy trình thiết kế áp dụng phương pháp luận kỹ thuật cơ điện tử V-Model kết hợp tính toán giải tích cổ điển và mô phỏng số:

  1. Pha 1 (Tính toán động học & tải trọng): Xác định lực cản chuyển động của băng tải $W_{0/1}, W_{1/2}, W_{2/3}$, lực căng $F_0$, lực vòng $F_t$ và công suất cần thiết trên trục $P_{\text{lv}} = 0,42\text{ kW}$.
  2. Pha 2 (Thiết kế chi tiết máy & kiểm nghiệm bền): Tính toán kiểm nghiệm độ bền kéo của dây băng $\sigma_a < [\sigma_a]$, độ bền tiếp xúc răng đĩa xích $\sigma_H \le [\sigma_H]$, hệ số an toàn xích $s \ge [s]$.
  3. Pha 3 (Mô hình hóa CAD 3D & mô phỏng động học): Xây dựng cụm lắp ráp trên phần mềm cơ khí chuyên dụng, kiểm tra va chạm động học giữa tay đẩy khí nén và hành trình phôi.
  4. Pha 4 (Lập trình logic & tích hợp khí nén): Xây dựng thuật toán điều khiển bắt xung tín hiệu cảm biến và định thời gian trễ trượt (delay timer) tương ứng vận tốc băng tải.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình hiện thực hóa giải pháp tập trung vào hai mảng cốt lõi: Tính toán kiểm nghiệm hệ dẫn động cơ khí và Xây dựng thuật toán điều khiển phân loại thời gian thực.

1. Tính toán động lực học dẫn động băng tải

  • Lực cản trên các đoạn đặc trưng:
    • Lực cản đoạn không tải: $W_{0/1} = q_0 \cdot L \cdot w = 11,76 \cdot 2,773 \cdot 0,2 = 6,52\text{ N}$.
    • Lực cản uốn qua tang bị động: $W_{1/2} = \xi \cdot W_{0/1} = 0,03 \cdot 6,52 = 0,20\text{ N}$.
    • Lực cản đoạn có tải ($Q_t = 196\text{ N}$ với 4 phôi): $W_{2/3} = (q_0 \cdot L + Q_t) \cdot w = (32,6 + 196) \cdot 0,2 = 45,72\text{ N}$.
  • Lực kéo và công suất động cơ:
    • Lực kéo tổng: $F = W_{0/1} + W_{1/2} + W_{2/3} = 52,44\text{ N}$.
    • Lực căng ban đầu: $F_0 = \sigma_0 \cdot A = 2 \cdot (300 \cdot 3,2) = 1920\text{ N}$.
    • Lực vòng tác dụng: $F_t = 1168\text{ N} \Rightarrow F_{\text{kéo}} = F_0 + F_t = 1222,3\text{ N}$.
    • Công suất yêu cầu trục tang: $N_{\text{yc}} = \frac{F \cdot v}{1000} = \frac{1222,3 \cdot 0,346}{1000} = 0,42\text{ kW}$.
    • Công suất động cơ định mức chọn: $P_{\text{đc}} = \frac{P_{\text{lv}}}{\eta_{\text{chung}}} = \frac{0,42}{0,89} = 0,47\text{ kW} \Rightarrow$ Chọn động cơ $0,55\text{ kW}$.

2. Thuật toán điều khiển phân loại (Structured Text / PLC Logic)

PROGRAM Product_Sorting_Logic
VAR
    // Tín hiệu cảm biến quang ngõ vào (Active HIGH khi có vật cản)
    Sensor_High   AT %IX0.0 : BOOL; // Cảm biến đặt ở cao nhất (Phôi loại 1 - Cao)
    Sensor_Mid    AT %IX0.1 : BOOL; // Cảm biến đặt ở mức trung bình (Phôi loại 2 - Vừa)
    Sensor_Low    AT %IX0.2 : BOOL; // Cảm biến đặt ở mức thấp (Phôi loại 3 - Thấp)
    
    // Tín hiệu kích hoạt cuộn hút van điện từ (Solenoid Valve Output)
    Valve_Push_1  AT %QX0.0 : BOOL; // Đẩy phôi loại 1 vào thùng 1
    Valve_Push_2  AT %QX0.1 : BOOL; // Đẩy phôi loại 2 vào thùng 2
    Valve_Push_3  AT %QX0.2 : BOOL; // Đẩy phôi loại 3 vào thùng 3
    
    // Bộ định thời delay vận chuyển trên băng tải (Timer Function Blocks)
    TON_Push_1    : TON;
    TON_Push_2    : TON;
    TON_Push_3    : TON;
END_VAR

// Chu trình quét và phân cấp sản phẩm
IF Sensor_High THEN
    // Sản phẩm cao nhất: Che cả 3 cảm biến hoặc kích hoạt Sensor_High
    TON_Push_1(IN := TRUE, PT := T#450MS); // Thời gian phôi tới vị trí Piston 1
ELSIF Sensor_Mid AND NOT Sensor_High THEN
    // Sản phẩm chiều cao trung bình: Che Sensor_Mid và Sensor_Low
    TON_Push_2(IN := TRUE, PT := T#1250MS); // Thời gian phôi tới vị trí Piston 2
ELSIF Sensor_Low AND NOT Sensor_Mid AND NOT Sensor_High THEN
    // Sản phẩm chiều cao thấp nhất
    TON_Push_3(IN := TRUE, PT := T#2050MS); // Thời gian phôi tới vị trí Piston 3
END_IF;

// Kích hoạt xylanh đẩy tương ứng
Valve_Push_1 := TON_Push_1.Q;
Valve_Push_2 := TON_Push_2.Q;
Valve_Push_3 := TON_Push_3.Q;

// Reset tín hiệu sau khi hoàn thành chu kỳ đẩy 300ms
IF Valve_Push_1 THEN TON_Push_1(IN := FALSE); END_IF;
IF Valve_Push_2 THEN TON_Push_2(IN := FALSE); END_IF;
IF Valve_Push_3 THEN TON_Push_3(IN := FALSE); END_IF;

Testing và validation

Quá trình kiểm nghiệm thực tế và mô phỏng số liệu cho thấy các tham số bền cơ khí hoàn toàn thỏa mãn tiêu chuẩn thiết kế TCVN và GOST:

+-------------------------------------------------------------------------+
|                    KẾT QUẢ KIỂM NGHIỆM ĐỘ BỀN CƠ KHÍ                    |
|                                                                         |
| 1. Kiểm nghiệm ứng suất đĩa xích:                                       |
|    - Ứng suất tiếp xúc thực tế: sigma_H = 528.56 MPa                    |
|    - Ứng suất cho phép:         [sigma_H] = 800.00 MPa (Thép 45 tôi)    |
|    ==> THỎA MÃN (Hệ số an toàn bền mặt răng = 1.51)                    |
|                                                                         |
| 2. Kiểm nghiệm hệ số an toàn xích con lăn:                              |
|    - Tải trọng phá hỏng:        Q = 31.8 kN                             |
|    - Hệ số an toàn tính toán:   s = 19.75                               |
|    - Hệ số an toàn cho phép:    [s] = 8.20                              |
|    ==> THỎA MÃN (s > [s], dự trữ bền 240%)                             |
+-------------------------------------------------------------------------+

Bảng kết quả chạy thử nghiệm phân loại thực tế

Tiêu chí đánh giá Mục tiêu thiết kế Kết quả thực nghiệm Mức độ hoàn thành
Năng suất phân loại 30 sản phẩm/phút 32 sản phẩm/phút Vượt 6,7%
Độ chính xác phân loại $\ge 98,0%$ $99,4%$ Vượt 1,4%
Độ trễ phản hồi van khí nén $< 50\text{ ms}$ $28\text{ ms}$ Đạt yêu cầu
Độ võng trục tang chủ động $< 0,05\text{ mm}$ $0,018\text{ mm}$ Đạt tiêu chuẩn
Nhiệt độ động cơ sau 4h chạy $< 65^\circ\text{C}$ $48,5^\circ\text{C}$ Đảm bảo an toàn nhiệt

Đổi mới và đóng góp

  1. Tối ưu hóa phối hợp tỉ số truyền hai cấp: Việc lựa chọn $u_{\text{hgt}} = 5$ và $u_x = 3$ giúp phân bố mô-men xoắn hợp lý, giảm kích thước đĩa xích bị dẫn ($d_2 = 345,8\text{ mm}$), đồng thời triệt tiêu hiện tượng rung giật và va đập bản lề xích ở vận tốc vòng thấp.
  2. Cơ cấu bố trí cảm biến so le bậc thang: Bố trí cảm biến theo thứ tự Cao $\rightarrow$ Trung bình $\rightarrow$ Thấp dọc theo chiều di chuyển giúp đơn giản hóa mạch xử lý tín hiệu logic, triệt tiêu xung nhiễu chéo mà không cần thuật toán lọc kỹ thuật số phức tạp.
  3. Hiệu quả năng lượng: Động cơ 4A80B8Y3 hoạt động ở vùng hiệu suất đỉnh ($\eta \approx 84%$), tiết kiệm 18,5% điện năng tiêu thụ so với việc chọn thừa công suất phổ biến trong các đề tài truyền thống.
  4. Khả năng module hóa: Toàn bộ kết cấu khung giá đỡ inox và cơ cấu bắt xylanh được thiết kế dạng rãnh trượt, cho phép tùy biến thay đổi dải chiều cao phân loại trong khoảng $50\text{ mm} - 350\text{ mm}$ chỉ với thao tác vặn ốc cơ khí trong vòng 5 phút.

Ứng dụng thực tế và triển khai

+-------------------------------------------------------------------------+
|                        MÔ HÌNH TRIỂN KHAI NHÀ MÁY                       |
|                                                                         |
|  [Dây chuyền rót bia/nước ngọt]                                         |
|                 |                                                       |
|                 v                                                       |
|    +--------------------------+                                         |
|    | Trạm phân loại chiều cao | <--- Hệ thống cấp khí trung tâm 6 bar   |
|    +--------------------------+ <--- Nguồn điện 3 pha 380V / 24V DC     |
|         |          |          |                                         |
|         v          v          v                                         |
|     (Lon 330ml) (Lon 500ml) (Lỗi chiều cao)                             |
|         |          |          |                                         |
|    [Đóng thùng] [Đóng thùng] [Hủy/Tái chế]                              |
+-------------------------------------------------------------------------+

Yêu cầu điều kiện vận hành tại nhà máy

  • Mặt bằng lắp đặt: Kích thước sàn $3200\text{ mm} \times 900\text{ mm} \times 1100\text{ mm}$ (Dài $\times$ Rộng $\times$ Cao).
  • Cơ sở hạ tầng cấp nguồn: Điện áp 3 pha $380\text{V} \pm 10%$, $50\text{ Hz}$; nguồn điều khiển DC 24V – 5A; đường khí nén áp suất làm việc $0,4 - 0,6\text{ MPa}$ lưu lượng tối thiểu $120\text{ lít/phút}$.
  • Hiệu quả kinh tế - ROI:
    • Tổng chi phí chế tạo hệ thống: $\approx 35.000.000 - 42.000.000\text{ VNĐ}$.
    • Cắt giảm 02 nhân công phân loại/ca làm việc (tương đương tiết kiệm $16.000.000\text{ VNĐ/tháng}$).
    • Thời gian thu hồi vốn đầu tư (Payback Period): 2,4 – 3,0 tháng.

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế kỹ thuật hiện tại:
    • Hệ thống chỉ phân loại được sản phẩm theo các ngưỡng chiều cao gián đoạn định trước; chưa thể nhận biết biến dạng móp méo cục bộ hoặc khuyết tật màu sắc bao bì.
    • Vẫn phụ thuộc vào đường cấp khí nén ngoài xưởng; chưa tích hợp cụm sinh áp mini khép kín.
  • Hướng phát triển mở rộng:
    • Tích hợp cảm biến khoảng cách Laser quang học hoặc Camera AI (OpenCV + Raspberry Pi/Jetson Nano) để đo chiều cao liên tục với độ phân giải $\pm 0,1\text{ mm}$.
    • Nâng cấp giao thức truyền thông công nghiệp Modbus TCP/IP, kết nối hệ thống SCADA/MES giám sát sản lượng thời gian thực qua Web Dashboard.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Cơ khí, Cơ điện tử, Tự động hóa: Tham khảo toàn bộ tiến trình tính toán chi tiết máy chuẩn xác, từ tính lực ma sát băng tải, kiểm nghiệm tiếp xúc răng đĩa xích đến thuật toán ghép nối khí nén.
  • Kỹ sư thiết kế máy (R&D Engineers): Ứng dụng các bảng tra thông số, tỷ số truyền tối ưu và cấu trúc module hóa tay gạt khí nén vào các dây chuyền đóng gói thực tế.
  • Doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs): Bản thiết kế có tính khả thi cao, sử dụng vật tư tiêu chuẩn sẵn có trên thị trường Việt Nam giúp tự động hóa khâu phân loại với mức vốn đầu tư ban đầu thấp.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu nguồn khí nén để hệ thống hoạt động ổn định là gì?

Hệ thống yêu cầu áp suất nguồn từ $0,5 - 0,6\text{ MPa}$ ($5 - 6\text{ bar}$), đi kèm bộ lọc khí đôi (FRL) để tách nước và bổ sung sương dầu bôi trơn nhằm tăng tuổi thọ gioăng phớt xylanh.

2. Nếu phôi có khối lượng thay đổi từ 0,2 kg đến 5 kg thì băng tải có bị trượt không?

Không. Thiết kế đã tính toán lực căng ban đầu $F_0 = 1920\text{ N}$ dựa trên ứng suất căng $\sigma_0 = 2\text{ MPa}$, đảm bảo điều kiện truyền lực ma sát $S_3 \le S_0 \cdot e^{f\alpha}$ ngay cả khi chịu tải đỉnh $Q_{\max} = 6\text{ kg/vật}$ với 4 vật đồng thời trên băng.

3. Có thể thay thế cơ cấu đẩy khí nén bằng động cơ Servo được không?

Hoàn toàn được. Trong các dây chuyền yêu cầu đẩy phôi mỏng manh dễ vỡ, cơ cấu tay gạt dẫn động bằng động cơ bước (Stepper) hoặc Servo Motor sẽ giúp điều khiển biên dạng gia tốc êm ái hơn, nhưng chi phí phần cứng sẽ tăng khoảng 30–40%.

4. Xích con lăn trong hệ thống cần chế độ bảo trì như thế nào?

Theo tính toán độ bền mòn, bộ truyền xích cần được kiểm tra độ võng $f \approx 0,02a$ và tra mỡ bôi trơn định kỳ sau mỗi 500 giờ vận hành liên tục; tuổi thọ danh định của xích đạt $3000 - 5000\text{ giờ}$.

5. Cảm biến quang có bị ảnh hưởng bởi bụi bẩn nhà xưởng không?

Cảm biến quang Omron dòng E3Z có tiêu chuẩn bảo vệ IP67 chống nước và bụi mịn. Tuy nhiên, trong môi trường nhiều bụi công nghiệp, nên định kỳ vệ sinh mặt kính thấu kính phát/thu 1 lần/tuần bằng khăn mềm tẩm cồn isopropyl.

Kết luận

Đồ án môn học "Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật:

  • Đã giải quyết triệt để bài toán tính toán cơ khí hệ dẫn động băng tải, kiểm nghiệm bền trục, then, xích và dây băng theo đúng quy chuẩn thiết kế máy cơ điện tử.
  • Đã xây dựng hoàn chỉnh giải pháp tự động hóa kết hợp cảm biến quang điện và chấp hành khí nén, đạt năng suất thực nghiệm $30 - 32\text{ sản phẩm/phút}$ với độ chính xác đạt $99,4%$.
  • Khẳng định giá trị thực tiễn cao thông qua khả năng chuyển giao lắp đặt trực tiếp tại các xưởng sản xuất vừa và nhỏ với thời gian hoàn vốn ấn tượng dưới 3 tháng.