Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu tiêu thụ hàng hóa tăng cao cùng sự thay đổi trong thói quen tiêu dùng (đặc biệt sau tác động của đại dịch Covid-19 với xu hướng sử dụng hàng hóa đóng gói sẵn) đã thúc đẩy các doanh nghiệp tối ưu hóa dây chuyền logistics và lưu kho. Trên thế giới, nhiều tập đoàn bán lẻ quy mô lớn (điển hình như chuỗi bán lẻ Groger của Mỹ hợp tác cùng siêu thị ảo Ocado tại Anh) đã ứng dụng hệ thống kho bãi tự động hóa tiên tiến.

Tại Việt Nam, phần lớn các doanh nghiệp vừa và nhỏ vẫn sử dụng nhân công trực tiếp trong các khâu phân loại, đóng gói và bốc dỡ sản phẩm lên pallet. Việc xếp dỡ thủ công bộc lộ nhiều hạn chế: chiếm dụng nhiều diện tích mặt bằng, khó phân loại và kiểm soát số lượng hàng hóa xuất - nhập, nguy cơ hư hỏng khi chất chồng sản phẩm và năng suất lao động thấp. Để giải quyết vấn đề này, đề tài "Nghiên cứu chế tạo hệ thống sắp xếp hàng hóa tự động lên pallet" được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Đề tài đặt ra 5 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Chế tạo hệ thống sắp xếp hàng hóa sử dụng cơ cấu chấp hành chính là băng tải và xi lanh khí nén.
  2. Điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống bằng bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi kết hợp hệ thống nút nhấn vật lý.
  3. Xây dựng giao diện màn hình HMI để thực hiện nhiệm vụ vận hành và giám sát trạng thái hệ thống.
  4. Lập trình điều khiển PLC cho phép xử lý đồng thời nhiều công đoạn trong dây chuyền.
  5. Thực hiện sắp xếp hàng hóa theo nhiều phương khác nhau trước khi hạ xuống pallet nhằm tối ưu hóa diện tích chứa.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình hệ thống băng chuyền phân loại, xoay hướng và sắp xếp kiện hàng tự động lên pallet.
  • Phạm vi và giới hạn đề tài: Triển khai thi công mô hình thực nghiệm ở quy mô vừa. Kích thước kiện hàng tiêu chuẩn là $15 \times 10 \times 5\text{ cm}$, khối lượng tối đa $2\text{ kg}$/hộp (thuộc nhóm hàng hóa không dễ vỡ do cơ cấu có công đoạn trượt rơi). Quy cách xếp đặt đạt 12 hộp trên một pallet, bố trí thành 2 lớp hàng theo các chiều khác nhau.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài xây dựng trên nền tảng lý thuyết truyền động cơ khí, tự động hóa công nghiệp và kỹ thuật điều khiển khả trình:

  • Lý thuyết sắp xếp hàng hóa: Phân tích các dạng thức xếp kiện hàng lên pallet bao gồm: xếp một chiều nhiều lớp, xếp hai chiều nhiều lớp và xếp nhiều chiều khác nhau nhiều lớp nhằm tối đa hóa mật độ chứa hàng.
  • Lý thuyết điều khiển PLC: Nghiên cứu nguyên lý hoạt động vòng quét (scan time) của PLC gồm các giai đoạn: đọc tín hiệu ngõ vào (vùng nhớ I), thực thi chương trình người dùng (từ lệnh đầu đến lệnh cuối trong khối OB1), xuất dữ liệu ra ngõ ra số (vùng nhớ Q), xử lý truyền thông và kiểm tra trạng thái CPU. Khảo sát hai cấu trúc chương trình: lập trình tuyến tính và lập trình có cấu trúc.
  • Lý thuyết giao tiếp người - máy (HMI): Nguyên lý ánh xạ địa chỉ ngõ vào/ra giữa HMI và PLC, các chuẩn giao thức truyền thông công nghiệp phổ biến như Modbus, Ethernet/IP, Profibus, RS422, RS485 và RS232.

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp tính toán thiết kế cơ học: Tính chọn công suất động cơ, kiểm nghiệm bền trục vít me - đai ốc bi theo độ bền kéo/nén và ứng suất tiếp xúc, tính toán thông số hình học bộ truyền đai răng, phân tích ứng suất và hệ số an toàn trên phần mềm SolidWorks.
  • Phương pháp điều khiển phát xung tốc độ cao: Ứng dụng tập lệnh phát xung của dòng PLC Mitsubishi FX2N để điều khiển vị trí và góc quay của động cơ bước thông qua driver TB6600.
  • Phương pháp mô phỏng kết hợp thực nghiệm: Sử dụng phần mềm Factory IO kết nối qua trạm trung gian phần mềm MX OPC Server để kiểm chứng giải thuật điều khiển trước khi thi công và vận hành trên mô hình vật lý.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh với các phân hệ cơ khí, phân hệ điều khiển điện tử và giao diện giám sát:

Phân hệ / Bộ phận Thông số kỹ thuật & Thiết bị sử dụng Chức năng chính
Khung sườn Nhôm định hình kích thước $30 \times 30\text{ mm}$ và $20 \times 20\text{ mm}$ Đảm bảo độ cứng vững, chống ăn mòn, nâng đỡ toàn bộ hệ thống
Cơ cấu nâng hạ pallet Trục vít me - đai ốc bi TBI SCR1610 ($\varnothing 16\text{ mm}$, bước ren $10\text{ mm}$, dài $650\text{ mm}$) Biến chuyển động quay thành tịnh tiến, chịu tải dọc trục $F_a = 40\text{ N}$
Động cơ nâng hạ Động cơ bước Step Motor 57BYGH76-401A (24VDC, dòng $3\text{ A}$, mô-men xoắn $1890\text{ N.mm}$) Dẫn động trục vít me thông qua khớp nối trực tiếp
Động cơ băng tải Động cơ DC DME60G (mô-men xoắn $362\text{ N.mm}$, tốc độ không tải $480\text{ vòng/phút}$, nặng $0{,}8\text{ kg}$) Kéo rulo bọc cao su dẫn động băng tải đai dẹt cao su
Bộ truyền đai Đai răng HTD-345-3M (chiều dài $345\text{ mm}$, bước răng $3\text{ mm}$) kết hợp bộ puly nhôm 3M ($Z_1 = 20$, $Z_2 = 40$) Truyền động giảm tốc với tỉ số truyền $2:1$
Cơ cấu chấp hành khí nén 4 xi lanh tròn PVN model MAL ($\varnothing 16\text{ mm}$, hành trình $250\text{ mm}$, $300\text{ mm}$, $400\text{ mm}$) Chuyển hướng kiện hàng, đẩy hàng vào khuôn, trượt thanh dẫn và cấp pallet
Bộ điều khiển trung tâm PLC Mitsubishi FX2N-16MT-001 (Nguồn cấp 100–230VAC, 8 DI / 8 DO ngõ ra Transistor, bộ nhớ 16.000 bước) Xử lý logic toàn bộ hệ thống, phát xung điều khiển vị trí tối đa $20\text{ kHz}$
Mạch điều khiển động cơ bước Driver TB6600 (IC TB6600HQ/HG, điện áp cấp tối đa 40VDC, dòng tải cực đại 4A–5A) Điều khiển vi bước (từ 1/1 đến 1/16 step) và chiều quay động cơ bước
Cảm biến & Công tắc Cảm biến quang hồng ngoại E3F-DS30C4 NPN (6–36VDC, khoảng cách nhận biết 10–30 cm), công tắc hành trình Az-7141 / Az-7110 (10A, 380VAC/220VDC) Phát hiện vật cản đếm sản phẩm, giới hạn hành trình nâng hạ bàn đỡ pallet
Nguồn cấp hệ thống Bộ nguồn tổ ong 24V 5A (công suất $120\text{ W}$, điện áp ngõ vào 220VAC) Cung cấp nguồn một chiều ổn định cho cảm biến, mạch driver và cuộn hút van
Màn hình giám sát HMI Màn hình cảm ứng Kinco MT4300C 5,6 inch (lập trình qua Kinco HMIware, cổng truyền thông COM0 RS232/422/485) Cho phép người dùng chuyển đổi chế độ Auto/Manual, giám sát trạng thái

Cấu hình địa chỉ vào/ra (I/O) trên PLC FX2N-16MT:

Tên thiết bị ngoại vi Địa chỉ PLC Chức năng trong chương trình
Nút nhấn Start X000 Khởi động toàn bộ chu trình hoạt động của hệ thống
Nút nhấn Stop X001 Dừng khẩn cấp / dừng hoạt động hệ thống
Cảm biến hồng ngoại X002 Đếm số lượng sản phẩm di chuyển trên băng tải
Công tắc hành trình 1 X003 Báo vị trí tiếp xúc của bàn đỡ pallet khi đi lên
Công tắc hành trình 2 X004 Báo vị trí giới hạn dừng trục vít me tại điểm cố định
Xung điều khiển vị trí (PUL) Y000 Chân phát xung tốc độ cao điều khiển động cơ bước
Hướng quay động cơ (DIR) Y002 Tín hiệu mức logic điều khiển chiều quay động cơ bước
Relay động cơ DC Y003 Đóng/ngắt nguồn cấp cho động cơ kéo băng chuyền
Xi lanh 1 Y004 Đẩy chuyển hướng hàng chạy từ phương dọc sang phương ngang
Xi lanh 2 Y005 Đẩy kiện hàng vào khuôn định vị giữ hàng
Xi lanh 3 Y006 Điều khiển trượt thanh đỡ để thả hàng rơi xuống pallet
Xi lanh 4 Y007 Đẩy cấp pallet mới vào vị trí làm việc

Thuật toán phát xung và điều khiển: Hệ thống sử dụng lệnh phát xung có định thời gian tăng/giảm tốc của dòng PLC Mitsubishi FX2N. Cấu hình lệnh gồm tiếp điểm kích hoạt M0, tần số phát xung $1000\text{ Hz}$ (K1000), số lượng xung phát $2000\text{ xung}$ (K2000), thời gian tăng giảm tốc qua 10 cấp là $3000\text{ ms}$ (K3000) xuất ra chân Y000, kèm cờ báo hoàn thành phát xung M8029. Thời gian tăng giảm tốc $T$, tần số xung $H$ và số xung $P$ tuân thủ nghiêm ngặt điều kiện ràng buộc: $T > 45000/H$ và $T < 818 \times P / H$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về đề tài

Trình bày tính cấp thiết của tự động hóa trong quản lý kho thông minh và logistics đóng gói. Đưa ra các phân tích về xu hướng quốc tế và thực trạng ứng dụng cơ giới hóa tại các doanh nghiệp Việt Nam. Xác định nhiệm vụ nghiên cứu, giới hạn kỹ thuật của mô hình ($110 \times 85 \times 85\text{ cm}$, tải trọng kiện $2\text{ kg}$, quy cách xếp 12 hộp/2 lớp) và cấu trúc nội dung đồ án gồm 6 chương.

Chương II: Cơ sở lý thuyết

Tổng quan hệ thống vận chuyển hàng hóa tự động và phân loại chi tiết các phương thức xếp kiện hàng lên pallet (xếp một chiều, hai chiều và nhiều chiều). Trình bày lý thuyết điều khiển tự động với PLC: chu trình quét, cấu trúc vùng nhớ, lập trình tuyến tính và có cấu trúc. Khái quát chức năng của màn hình HMI, các chuẩn truyền thông công nghiệp (Modbus, Profibus, Ethernet/IP) trong việc liên kết điều khiển và giám sát thiết bị.

Chương III: Tính toán thiết kế

Xác định thông số thiết kế ban đầu của hệ thống. Tính toán chọn động cơ DC DME60G ($362\text{ N.mm}$, $480\text{ vòng/phút}$) cho băng tải với tải trọng kéo $4\text{ kg}$ ($40\text{ N}$), gia tốc $0{,}025\text{ m/s}^2$, vận tốc $0{,}1\text{ m/s}$. Tính chọn động cơ bước 57BYGH76-401A ($1890\text{ N.mm}$) cho cơ cấu nâng hạ vít me đai ốc bi dựa trên công suất tính toán $P = 2{,}88\text{ W}$, số vòng quay $60\text{ vòng/phút}$.

Tính toán cơ học chi tiết cho trục vít me bi thép C45: vận tốc tịnh tiến $18\text{ mm/s}$, lực dọc trục $F_a = 40\text{ N}$, ứng suất tiếp xúc lớn nhất $\sigma_{\max} = 2400\text{ MPa}$ thỏa mãn điều kiện bền so với ứng suất cho phép $[\sigma_{\max}] = 5000\text{ MPa}$; góc nâng vít $\gamma = 4{,}17^\circ$, hiệu suất $\eta = 0{,}99$. Tính toán bộ truyền đai mô-đun $m = 2$, bề rộng $b = 15\text{ mm}$, khoảng cách trục $a = 111\text{ mm}$, góc ôm bánh chủ động $\alpha_1 = 169^\circ > 120^\circ$. Phân tích phần tử hữu hạn xác định ứng suất khung cực đại đạt $1{,}777\times 10^7\text{ N/m}^2$, hệ số an toàn lớn nhất của khung đạt $1{,}830$ (chịu tải $F_{a1} = 40\text{ N}$). Xây dựng sơ đồ phân bổ ngõ vào/ra I/O, sơ đồ nối dây điện và lưu đồ giải thuật điều khiển.

Chương IV: Thi công

Mô tả chi tiết quá trình gia công, lắp ráp phần cứng cơ khí và kết nối điện cho từng linh kiện: khung nhôm định hình $30 \times 30\text{ mm}$ và $20 \times 20\text{ mm}$, trục vít me bi TBI SCR1610, đai dẫn động cao su dẹt, rulo thép bọc cao su, bộ puly nhôm 3M và dây đai răng HTD-345-3M, 4 xi lanh tròn PVN MAL $\varnothing 16\text{ mm}$. Đấu nối mạch điều khiển PLC FX2N-16MT, nạp chương trình bằng cáp USB-SC09-FX, cài đặt vi bước và dòng điện trên driver TB6600, kết nối cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4 NPN, công tắc hành trình Az-7141/Az-7110 và bộ nguồn tổ ong 24V 5A. Thiết kế giao diện vận hành HMI Kinco MT4300C gồm trang chủ chọn chế độ, trang Auto và trang Manual.

Chương V: Mô phỏng và thực nghiệm

Triển khai mô phỏng đồng bộ giữa phần mềm Factory IO và PLC thông qua phần mềm trung gian MX OPC Server để kiểm thử các biến I/O và logic chuyển động. Tiến hành thực nghiệm trên mô hình vật lý: xác định thời gian cảm biến nhận tín hiệu có hàng, hiệu chỉnh định thời gian (timer) cho kiện hàng nằm dọc và hàng nằm ngang, xác định độ chính xác tại điểm rơi hàng, thiết kế bổ sung tấm chắn hàng và thiết lập số xung định vị bàn nâng hạ pallet.

Chương VI: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành so với mục tiêu ban đầu, chỉ ra các ưu điểm về độ ổn định của hệ thống cơ điện tử. Đưa ra các mặt hạn chế còn tồn tại về tải trọng và tính linh hoạt kích thước kiện hàng, từ đó đề xuất các định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được:

  • Chế tạo hoàn thiện mô hình thực nghiệm hệ thống sắp xếp hàng hóa lên pallet với kích thước bao $110 \times 85 \times 85\text{ cm}$.
  • Hệ thống tiếp nhận, đếm, đổi phương chuyển động và xếp thành công 12 kiện hàng (kích thước $15 \times 10 \times 5\text{ cm}$) chia làm 2 lớp lên một pallet theo chu trình tự động.
  • Kiểm soát chính xác chuyển động nâng hạ pallet thông qua thuật toán phát xung tốc độ cao từ PLC FX2N-16MT đến driver TB6600 và động cơ bước 57BYGH76-401A, kết hợp giám sát qua hai công tắc hành trình Az-7141 và Az-7110.
  • Khảo nghiệm và giải quyết hiện tượng lệch vị trí tại điểm rơi hàng bằng việc lắp đặt thêm tấm chắn định vị cơ khí và tinh chỉnh thời gian trễ của các cảm biến hồng ngoại.
  • Xây dựng giao diện HMI Kinco MT4300C hoàn chỉnh, cho phép vận hành linh hoạt ở cả hai chế độ tự động (Auto) và điều khiển thủ công từng cơ cấu (Manual).

Đóng góp của đề tài:

  • Cung cấp một phương án thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình tự động hóa khâu xếp dỡ pallet chi phí thấp, phù hợp với điều kiện ứng dụng của các doanh nghiệp vừa và nhỏ.
  • Đưa ra quy trình tính toán động học, động lực học và kiểm nghiệm bền bài bản cho bộ truyền vít me bi, bộ truyền đai và khung kết cấu nhôm định hình.
  • Làm tài liệu thực hành mẫu trong việc tích hợp công nghệ điều khiển PLC Mitsubishi với động cơ bước, truyền động khí nén và màn hình HMI công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Quy mô mô hình mới dừng lại ở mức thử nghiệm phòng lab, chỉ xử lý được kiện hàng có kích thước cố định $15 \times 10 \times 5\text{ cm}$ với tải trọng nhỏ hơn $2\text{ kg}$.
  • Cơ chế đưa hàng xuống pallet sử dụng nguyên lý trượt rơi tự do nên chưa phù hợp với các loại hàng hóa dễ vỡ hoặc đòi hỏi độ êm dịu cao.
  • Hệ thống cấp và xuất pallet chưa được tự động hóa hoàn toàn với kho chứa quy mô lớn mà chỉ sử dụng cơ cấu xi lanh cấp cục bộ.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Nâng cấp kết cấu cơ khí và công suất động cơ để hệ thống có khả năng chịu tải trọng lớn hơn, đáp ứng kích thước kiện hàng công nghiệp thực tế.
  • Bổ sung cơ cấu tay máy hoặc hệ thống nâng hạ tiếp xúc mềm thay thế cơ chế rơi tự do nhằm bảo vệ hàng hóa nhạy cảm.
  • Tích hợp hệ thống nhận dạng mã vạch/RFID và kết nối hệ thống xe tự hành AGV nhằm xây dựng dây chuyền quản lý kho thông minh toàn diện.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên và giảng viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ khí và Kỹ thuật Công nghiệp:

  • Phần tính toán cơ khí (Chương III): Cung cấp các công thức tính toán chọn động cơ, kiểm nghiệm bền trục vít me - đai ốc bi chịu tải dọc trục, tính toán thông số hình học bộ truyền đai và phân tích ứng suất kết cấu trên SolidWorks.
  • Phần điều khiển và lập trình (Chương III & IV): Là tài liệu thực tế về phương pháp sử dụng lệnh phát xung tốc độ cao trên dòng PLC Mitsubishi FX2N, cách cài đặt công tắc gạt cấu hình dòng điện và vi bước cho driver TB6600, cũng như quy trình đấu nối cảm biến NPN và công tắc hành trình.
  • Phần mô phỏng (Chương V): Hướng dẫn chi tiết phương thức thiết lập trạm kết nối dữ liệu OPC thông qua MX OPC Server để mô phỏng hệ thống tự động hóa trên phần mềm Factory IO.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng dòng PLC nào và điều khiển động cơ bước nâng hạ pallet bằng phương pháp gì?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX2N-16MT-001 (ngõ ra dạng Transistor). PLC điều khiển động cơ bước 57BYGH76-401A thông qua driver TB6600 bằng phương pháp phát xung tốc độ cao tại chân Y000 (tần số $1000\text{ Hz}$, số lượng $2000\text{ xung}$, thời gian tăng giảm tốc qua 10 cấp là $3000\text{ ms}$) và chân định hướng quay Y002.

2. Trục vít me đai ốc bi được chọn có thông số kỹ thuật ra sao và có thỏa mãn điều kiện bền không?
Đề tài tính chọn trục vít me bi TBI SCR1610 có đường kính $\varnothing 16\text{ mm}$, bước ren $10\text{ mm}$, chiều dài $650\text{ mm}$, chế tạo từ thép C45 có giới hạn chảy $\sigma_{ch} = 360\text{ MPa}$. Qua tính toán, ứng suất tiếp xúc lớn nhất của bộ truyền đạt $\sigma_{\max} = 2400\text{ MPa}$, nhỏ hơn nhiều so với ứng suất cho phép $[\sigma_{\max}] = 5000\text{ MPa}$, đảm bảo an toàn chịu lực cho cơ cấu nâng hạ $40\text{ N}$.

3. Khung sườn của mô hình được chế tạo bằng vật liệu gì và hệ số an toàn đạt bao nhiêu?
Khung sườn được gia công từ các thanh nhôm định hình kích thước $30 \times 30\text{ mm}$ và $20 \times 20\text{ mm}$. Kết quả phân tích ứng suất trên phần mềm cho thấy điểm chịu lực uốn lớn nhất đạt $1{,}777\times 10^7\text{ N/m}^2$ và hệ số an toàn cực đại của khung đạt $1{,}830$ (lớn hơn 1), đảm bảo khả năng chịu tải của mô hình khi vận hành.

4. Màn hình HMI Kinco MT4300C giao tiếp với PLC FX2N như thế nào và cung cấp các chế độ điều khiển nào?
Màn hình Kinco MT4300C (kích thước 5,6 inch) giao tiếp với PLC FX2N qua cổng truyền thông nối tiếp COM0 (hỗ trợ chuẩn RS232/RS422/RS485) bằng cáp lập trình chuyên dụng. Giao diện người dùng được lập trình bằng phần mềm Kinco HMIware, cung cấp 2 chế độ vận hành chính: chế độ chạy tự động (Auto) và chế độ điều khiển kích hoạt từng cơ cấu riêng lẻ bằng tay (Manual).

5. Trong quá trình thực nghiệm, nhóm tác giả đã xử lý sự cố lệch vị trí tại điểm rơi hàng như thế nào?
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát thời gian nhận tín hiệu của cảm biến quang hồng ngoại E3F-DS30C4 NPN, thiết lập lại các bộ định thời (timer) riêng biệt cho kiện hàng nằm dọc và nằm ngang, đồng thời thiết kế và lắp đặt thêm tấm chắn định vị cơ khí tại vị trí thả hàng xuống pallet để cố định chính xác biên dạng kiện hàng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu chế tạo hệ thống sắp xếp hàng hóa tự động lên pallet" đã hoàn thành việc thiết kế, tính toán cơ học và chế tạo thành công mô hình cơ điện tử kết hợp giữa truyền động khí nén, băng chuyền và trục vít me nâng hạ. Hệ thống vận hành ổn định dưới sự điều khiển của PLC Mitsubishi FX2N-16MT kết hợp màn hình cảm ứng HMI Kinco MT4300C, thực hiện chính xác quy trình xếp 12 kiện hàng chia thành 2 lớp lên pallet. Đây là công trình nghiên cứu ứng dụng có giá trị thực tiễn cao, đóng vai trò làm mô hình mẫu cho các giải pháp tự động hóa kho hàng quy mô vừa và nhỏ.