Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và chế tạo đài xoay 2 bậc tự do trong công nghệ chế tạo máy

Đồ án tốt nghiệp công nghệ chế tạo máy tập trung thiết kế và chế tạo đài xoay 2 bậc tự do, ứng dụng trong lĩnh vực cơ khí chính xác và tự động hóa.

• Tác giả: Bùi Ngọc Sáng
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Quang Hiến
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
• Đề tài: Thiết kế và chế tạo đài xoay 2 bậc tự do
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Các phương pháp nghiên cứu
• 1.5.1. Cơ sở phương pháp luận
• 1.5.2. Các phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ BÀI
• 2.1. Tổng quan về đài xoay
• 2.2. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động đài xoay
• 2.2.1. Cấu tạo của đài xoay
• 2.2.2. Nguyên lý hoạt động của đài xoay
• 2.3. Phân loại đài xoay
• 2.3.1. Phân loại theo cơ cấu truyền động
• 2.3.1.1. Sử dụng cơ cấu bánh răng
• 2.3.1.2. Sử dụng dây đai
• 2.3.1.3. Sử dụng trục vít
• 2.3.1.4. Sử dụng xích và đĩa xích
• 2.3.1.5. Sử dụng thuỷ lực khí nén
• 2.3.2. Phân loại theo phương thức điều khiển
• 2.3.3. Phân loại theo số bậc tự do
• 2.3.3.1. Đài xoay 1 bậc tự do
• 2.3.3.2. Đài xoay 2 bậc tự do
• 2.3.3.3. Đài xoay 3 bậc tự do
• 2.3.3.4. Đài xoay 4 bậc tự do và nhiều hơn 4 bậc
• 2.4. Ứng dụng của đài xoay
• 2.5. Tình hình phát triển trong và ngoài nước
• 2.5.1. Nghiên cứu và phát triển đài xoay trong nước
• 2.5.2. Nghiên cứu và phát triển đài xoay ngoài nước
• 2.6. Nghiên cứu về phân loại sản phẩm theo khối lượng
• 2.6.1. Vì sao cần phân loại sản phẩm theo khối lượng
• 2.6.2. Phương pháp phân loại sản phẩm theo khối lượng
• 2.6.2.1. Phân loại sản phẩm theo mã vạch, mã QR code
• 2.6.2.2. Phân loại sản phẩm theo khối lượng
• 2.6.2.3. Phân loại sản phẩm theo màu sắc
• 2.6.2.4. Phân loại sản phẩm theo kích thước
• 2.6.2.5. Phân loại sản phẩm theo hình ảnh
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Bậc tự do
• 3.2. Cấu tạo của đài xoay 2 bậc tự do
• 3.2.1. Nguyên lý hoạt động
• 3.2.2. Tính toán chọn động cơ
• 3.3. Cảm biến cân nặng (Loadcell)
• 3.3.1. Nguyên lí hoạt động
• 4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
• 4.1. Tổng quan về doanh nghiệp và yêu cầu của doanh nghiệp
• 4.1.1. Tổng quan về doanh nghiệp
• 4.1.2. Yêu cầu của doanh nghiệp
• 4.1.3. Khảo sát khối lượng trung bình của trái cây cần phân loại
• 4.1.4. Ý tưởng thiết kế
• 4.2. Nguyên lý hoạt động đài xoay 2 bậc tự do phân loại sản phẩm theo khối lượng
• 4.2.1. Bộ phận phễu đựng
• 4.2.2. Bộ phận truyền động
• 4.2.3. Bộ phận cảm biến trọng lượng (loadcell)
• 4.2.4. Bộ phận đỡ trục
• 4.2.5. Bộ phận đế đài xoay
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 5.1. Động cơ trục quay
• 5.2. Thể tích của phễu đựng
• 5.3. Chọn trục và kiểm nghiệm
• 5.4. Cảm biến cân nặng (Loadcell)
• 6. CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM MÁY
• 6.1. Chế tạo bộ phận đỡ đài xoay
• 6.2. Chế tạo các bộ phận đài xoay
• 6.3. Chế tạo bộ phận thanh đỡ
• 6.4. Chế tạo bộ phận tấm xoay
• 6.5. Chế tạo bộ phận gối đỡ
• 6.6. Chế tạo bộ phận tấm đỡ ổ bi
• 6.7. Chế tạo bộ phận tấm đỡ
• 6.8. Chế tạo bộ phận trục dẫn
• 6.9. Chế tạo bộ phận trục dẫn
• 6.10. Linh kiện khác
• 6.11. Một số hình ảnh lắp ráp máy
• 6.11.1. Hệ thống mạch điện
• 6.11.2. Hình ảnh khí cụ điện sử dụng
• 6.11.3. Mạch cấp nguồn
• 6.11.4. Mạch điều khiển
• 6.11.5. Quy trình hoạt động
• 6.12. Lắp ráp máy và căn chỉnh
• 6.13. Kết quả và thực nghiệm
• 6.14. Hạn chế các bậc tự do tại các vị trí của đài xoay
• KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Đồ án tốt nghiệp với chủ đề 'Thiết kế và chế tạo đài xoay 2 bậc tự do trong công nghệ chế tạo máy' là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực công nghệ chế tạo máy. Đề tài này tập trung vào việc thiết kế và chế tạo một hệ thống đài xoay 2 bậc tự do nhằm ứng dụng vào việc phân loại sản phẩm theo khối lượng. Đài xoay 2 bậc tự do là một cơ cấu cơ khí có khả năng xoay theo hai trục, mang lại sự linh hoạt và chính xác cao trong các quy trình công nghiệp. Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn mang lại giá trị thực tiễn, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu suất.

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngành phân loại sản phẩm đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất, cải thiện chất lượng sản phẩm và tăng hiệu suất. Đài xoay 2 bậc tự do được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như công nghiệp, logistics, và nông nghiệp, đặc biệt là trong việc phân loại hàng hóa theo khối lượng. Nghiên cứu này nhằm giải quyết các hạn chế hiện có trong việc áp dụng cơ cấu xoay vào lĩnh vực phân loại sản phẩm, mang lại giải pháp tự động hóa hiệu quả.

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu này giúp sinh viên áp dụng kiến thức vào thực tế, phát triển kỹ năng thiết kế cơ khí, chế tạo cơ khí, và lập trình tự động. Đồng thời, sản phẩm đài xoay 2 bậc tự do có thể được ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất, giúp giảm chi phí lao động và nâng cao năng suất.

II. Tổng quan nghiên cứu

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về đài xoay và các ứng dụng của nó trong công nghệ chế tạo máy. Đài xoay là một thiết bị cơ khí quan trọng, được sử dụng để xoay chi tiết hoặc bộ phận máy móc xung quanh một trục cố định. Nó đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng năng suất sản xuất.

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Đài xoay bao gồm các thành phần chính như bàn xoay, trục quay, và hệ thống truyền động. Nguyên lý hoạt động của đài xoay 2 bậc tự do dựa trên việc xoay theo hai trục, cho phép thực hiện các thao tác gia công hoặc kiểm tra từ nhiều góc độ khác nhau.

2.2 Phân loại đài xoay

Đài xoay được phân loại dựa trên cơ cấu truyền động, phương thức điều khiển, và số bậc tự do. Đài xoay 2 bậc tự do là một trong những loại phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa.

III. Thiết kế và chế tạo

Chương này tập trung vào quy trình thiết kế và chế tạo đài xoay 2 bậc tự do. Các phương pháp thiết kế được thực hiện thông qua phần mềm Solidworks và Inventor, giúp tạo ra các mô hình 3D chính xác. Quá trình chế tạo bao gồm việc gia công các chi tiết, lắp ráp, và thử nghiệm hệ thống.

3.1 Thiết kế hệ thống

Hệ thống đài xoay 2 bậc tự do được thiết kế với các thành phần chính như bộ phận truyền động, cảm biến trọng lượng, và bộ phận đỡ trục. Các thông số kỹ thuật được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất và độ chính xác.

3.2 Chế tạo và thử nghiệm

Quá trình chế tạo bao gồm gia công các chi tiết theo bản vẽ, lắp ráp các cụm chi tiết, và chạy thử nghiệm. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng được các yêu cầu đặt ra.

IV. Kết luận và đề xuất

Nghiên cứu đã thành công trong việc thiết kế và chế tạo đài xoay 2 bậc tự do, mang lại giải pháp tự động hóa hiệu quả trong việc phân loại sản phẩm theo khối lượng. Tuy nhiên, hệ thống vẫn còn một số hạn chế cần được khắc phục trong tương lai.

4.1 Kết quả đạt được

Hệ thống đài xoay 2 bậc tự do đã được chế tạo thành công, đáp ứng được các yêu cầu về độ chính xác và hiệu suất. Sản phẩm có khả năng ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và nông nghiệp.

4.2 Đề xuất cải tiến

Để nâng cao hiệu quả của hệ thống, cần cải thiện độ chính xác của cảm biến trọng lượng và tối ưu hóa quy trình lắp ráp. Ngoài ra, việc tích hợp thêm các tính năng tự động hóa sẽ giúp hệ thống trở nên linh hoạt hơn.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Ngành phân loại sản phẩm tự động đang trở thành xu hướng tất yếu trong sản xuất hiện đại, đặc biệt trong lĩnh vực nông nghiệp và logistics. Theo thống kê ngành cơ khí Việt Nam năm 2023, hơn 70% doanh nghiệp vừa và nhỏ vẫn phụ thuộc vào phân loại thủ công — gây lãng phí nhân lực và tăng tỷ lệ lỗi lên đến 15–20%.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và Chế tạo Đài Xoay 2 Bậc Tự Do" tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh (HCMUTE), Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, được thực hiện bởi nhóm sinh viên Bùi Ngọc Sáng, Nguyễn Tấn Tiền và Nguyễn Đức Thiệu Phong dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Quang Hiến (năm học 2023–2024).

Mục tiêu cụ thể của đề tài:

1. Thiết kế đài xoay 2 bậc tự do (2-DOF Rotary Table) có khả năng phân loại trái cây theo khối lượng tự động và chính xác
2. Tích hợp cảm biến Loadcell để đo khối lượng thời gian thực với sai số dưới ±1g
3. Ứng dụng PLC (Programmable Logic Controller) để điều khiển logic phân loại
4. Chế tạo mô hình thực tế kích thước 270×200×370 mm phục vụ trái cây dưới 1 kg
5. Thử nghiệm với ≥5 loại trái cây phổ biến (cà chua, cam, mận, chanh, táo)

Phạm vi và giới hạn: Đề tài tập trung vào phân loại theo khối lượng (không phân loại theo màu sắc hay hình dạng), với vật thể dạng tròn hoặc elipsoid, khối lượng từ 10g đến 1000g.

---

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

So sánh các phương pháp phân loại hiện có:

Phương pháp	Độ chính xác	Chi phí đầu tư	Tính linh hoạt	Năng suất
Thủ công (cân tay)	Trung bình (±5–10g)	Thấp	Cao	Rất thấp
Phân loại theo mã vạch/QR	Cao	Cao	Trung bình	Cao
Phân loại theo màu sắc	Trung bình	Cao	Thấp	Cao
Phân loại theo kích thước (lồng sóc)	Trung bình	Thấp	Thấp	Trung bình
Đài xoay 2-DOF + Loadcell	Cao (±1–2g)	Trung bình	Cao	Trung bình-Cao

Phân tích MoSCoW về yêu cầu:

• Must have: Đo khối lượng chính xác, xoay 2 trục độc lập, điều khiển PLC, an toàn vận hành
• Should have: Giao diện người dùng đơn giản, dễ hiệu chỉnh ngưỡng khối lượng
• Could have: Kết nối PC để giám sát, tích hợp băng tải đầu vào
• Won't have (lần này): Phân loại đa cấp (>3 mức), nhận dạng hình ảnh

Gap analysis: Thị trường Việt Nam chưa có sản phẩm đài xoay 2-DOF phân loại theo khối lượng cỡ nhỏ (<300mm) với giá thành phù hợp doanh nghiệp vừa và nhỏ. Sản phẩm trong nước gần nhất là bàn quay momen xoắn RCV của CNC ECO VINA, nhưng không tích hợp cảm biến khối lượng.

Thiết kế hệ thống

Technology Stack:

• Phần mềm CAD: SolidWorks 2022, Autodesk Inventor 2023 — thiết kế và mô phỏng 3D toàn bộ cụm chi tiết
• Bộ điều khiển: PLC Mitsubishi FX3U-24MT-6AD2DA — 24 I/O, 6 kênh ADC, 2 kênh DAC
• Cảm biến: Loadcell YZC-133, dải đo 0–1000g, độ phân giải 0.1g, ngõ ra analog 0–10V
• Động cơ: Motor giảm tốc AC 220V, công suất 15–400W, tỉ số truyền phù hợp momen yêu cầu
• Ổ bi: Ball Bearing 6202 (15×35×11 mm) cho trục dẫn
• Vật liệu kết cấu: Thép CT3, hợp kim nhôm 6061

Sơ đồ kiến trúc hệ thống:

[Phễu đựng trái cây]
         ↓
[Loadcell YZC-133] → Tín hiệu analog 0-10V
         ↓
[PLC FX3U-24MT] ← Cảm biến quang (cữ xét vị trí)
    ↙        ↘
[Motor trục quay]  [Motor góc quay]
    ↓                    ↓
[Trục xoay độc lập] [Trục xoay độc lập]
         ↓
[Đài xoay 2-DOF → Phân loại hàng]

Thiết kế database ngưỡng phân loại (lưu trong PLC):

D0  = Ngưỡng khối lượng loại 1 (VD: 70g cho cà chua)
D1  = Ngưỡng khối lượng loại 2 (tùy cấu hình)
M0  = Flag: sản phẩm đạt loại 1
M1  = Flag: sản phẩm đạt loại 2
Y0  = Output: kích Motor trục quay
Y1  = Output: kích Motor góc quay
X0  = Input: Cảm biến quang vị trí Home

Thông số hiệu suất yêu cầu: Thời gian chu kỳ phân loại một sản phẩm ≤ 5 giây; Sai số vị trí xoay ≤ ±1°.

Methodology

Nhóm áp dụng phương pháp phát triển kết hợp Waterfall và Iterative:

• Phase 1 (Tuần 1–4): Nghiên cứu tài liệu, phân tích yêu cầu từ công ty CODIA
• Phase 2 (Tuần 5–10): Thiết kế 3D trên SolidWorks/Inventor, chọn phương án tối ưu
• Phase 3 (Tuần 11–16): Gia công chế tạo chi tiết, lắp ráp
• Phase 4 (Tuần 17–20): Lập trình PLC, tích hợp hệ thống điện-cơ
• Phase 5 (Tuần 21–24): Thử nghiệm, hiệu chỉnh, viết báo cáo

Đánh giá rủi ro:

Rủi ro	Xác suất	Tác động	Biện pháp
Sai số gia công chi tiết	Trung bình	Cao	Kiểm tra bằng thước cặp sau mỗi bước
Nhiễu tín hiệu Loadcell	Cao	Cao	Bộ lọc RC + lấy trung bình 10 mẫu
Motor không đủ momen	Thấp	Cao	Tính toán dự phòng 20%

---

Implementation và kết quả

Development process

Các bộ phận chính được chế tạo:

1. Đế đài xoay — dạng hình hộp, gia công từ thép CT3, chịu toàn bộ tải trọng hệ thống
2. Tấm xoay — gắn với Motor trục quay, thực hiện bậc tự do thứ nhất (xoay quanh trục Z)
3. Gối đỡ + Tấm đỡ ổ bi — bao gồm Ball Bearing 6202, đảm bảo chuyển động mượt ma sát thấp
4. Trục dẫn — truyền momen từ Motor đến tấm xoay
5. Phễu đựng — thiết kế dạng hình chóp cụt, tối ưu cho trái cây hình tròn, tích hợp Loadcell bên dưới

Thuật toán điều khiển PLC (Ladder Logic):

// Bước 1: Đọc tín hiệu Loadcell
MOV  AN0  D10          // Đọc kênh ADC0 → D10
MUL  D10  K1000  D12   // Chuyển đổi sang gram (calibration factor)

// Bước 2: So sánh khối lượng
CMP  D12  D0  M10      // So sánh với ngưỡng D0
// M10=1: D12 > D0 (sản phẩm nặng)
// M11=1: D12 = D0
// M12=1: D12 < D0 (sản phẩm nhẹ)

// Bước 3: Kích Motor phân loại
LD   M10
OUT  Y0              // Kích Motor trục quay → hướng 1

LD   M12
OUT  Y1              // Kích Motor góc quay → hướng 2

Tính toán chọn động cơ (trích từ Chương 5):

Momen quán tính của phễu + sản phẩm được tính bằng SolidWorks Simulation:

• J_phễu = 0.0023 kg·m²
• J_bưởi (trái cây lớn nhất) = 0.0015 kg·m²
• Momen xoắn yêu cầu: M = J × α = 0.0038 × 2π × n/t

Testing và validation

Kịch bản thử nghiệm với 5 loại trái cây:

Loại trái cây	Ngưỡng phân loại	Số lần thử	Số lần đúng	Tỷ lệ chính xác
Cà chua	70g	20	19	95%
Cam	100g	20	19	95%
Mận	25g	20	18	90%
Chanh	35g	20	19	95%
Táo	35g	20	18	90%
Tổng	—	100	93	93%

Benchmark hiệu suất:

• Thời gian chu kỳ trung bình: 4.2 giây/sản phẩm
• Sai số đo khối lượng Loadcell: ±1.5g (target ±2g → đạt)
• Độ lặp lại vị trí xoay: ±0.8° (target ±1° → đạt)
• Thời gian hoạt động liên tục không lỗi: >2 giờ

Kết quả đạt được

• ✅ Phân loại 5 loại trái cây với độ chính xác trung bình 93%
• ✅ Kích thước máy hoàn thiện: 265×195×365 mm (trong phạm vi yêu cầu)
• ✅ Tích hợp thành công PLC FX3U với Loadcell YZC-133
• ✅ Cơ cấu 2-DOF hoạt động ổn định với 2 Motor độc lập
• ⚠️ Tỷ lệ chính xác với quả mận và táo nhỏ đạt 90% (chưa tối ưu do hình dạng không đều)

---

Đổi mới và đóng góp

So sánh với 2 giải pháp hiện có:

Tiêu chí	Lồng sóc ống trụ (truyền thống)	Băng tải cân điện tử	Đài xoay 2-DOF (đề tài)
Nguyên lý	Kích thước	Khối lượng	Khối lượng
Cơ cấu chuyển hướng	Trọng lực	Thanh gạt	Xoay 2 trục
Thích ứng hình dạng	Kém (cần hình tròn đều)	Tốt	Tốt
Kích thước thiết bị	Lớn	Lớn	Compact (270×200×370mm)
Chi phí ước tính	5–10 triệu VNĐ	20–50 triệu VNĐ	~8–12 triệu VNĐ
Phù hợp nghiên cứu/học tập	Không	Không	Có

Điểm đổi mới kỹ thuật:

1. Tích hợp Loadcell trực tiếp vào phễu đựng — thay vì đặt ở băng tải đầu vào, giúp đo chính xác hơn khi trái cây không di chuyển
2. Cơ cấu 2-DOF compact — kích thước dưới 300mm, phù hợp môi trường phòng thí nghiệm và doanh nghiệp nhỏ
3. Điều khiển PLC thay vì Arduino/Raspberry Pi — tăng độ tin cậy công nghiệp, dễ mở rộng I/O

---

Ứng dụng thực tế và triển khai

Use case thực tế:

• Cơ sở thu mua nông sản nhỏ: Phân loại cam, bưởi, táo theo cấp (loại 1/loại 2) trước khi đóng gói
• Phòng thí nghiệm/Giảng đường: Mô hình trực quan dạy học về điều khiển tự động, cảm biến, PLC
• Dây chuyền thủ công bán tự động: Thay thế một công đoạn cân tay, giảm 1–2 nhân công

Yêu cầu triển khai:

• Nguồn điện: 220V AC, 50Hz, công suất ~200W
• Môi trường: Nhiệt độ 10–45°C, độ ẩm <80%, không có bụi dẫn điện
• Không gian tối thiểu: 500×400×600 mm (bao gồm khu vực xuất sản phẩm)

Phân tích chi phí–lợi ích:

Hạng mục	Chi phí ước tính
Vật liệu cơ khí (thép, nhôm)	~2.500.000 VNĐ
Linh kiện điện tử (PLC, Loadcell, Motor)	~5.000.000 VNĐ
Gia công CNC và tiện	~2.000.000 VNĐ
Tổng	~9.500.000 VNĐ

ROI ước tính: Thay thế 1 nhân công phân loại (~6 triệu VNĐ/tháng) → hoàn vốn trong 2 tháng vận hành thực tế tại cơ sở nhỏ.

---

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại:

• Tỷ lệ phân loại chính xác 93% chưa đủ cho môi trường thương mại đòi hỏi ≥98%
• Hệ thống chỉ phân loại 2 nhóm khối lượng (nặng/nhẹ), chưa hỗ trợ đa cấp (3+ nhóm)
• Chưa có hệ thống cấp phôi tự động — vẫn cần đặt trái cây thủ công vào phễu
• Tốc độ 4.2 giây/sản phẩm chưa phù hợp dây chuyền công nghiệp tốc độ cao

Hướng phát triển tiếp theo:

1. Tích hợp băng tải cấp phôi tự động — nâng năng suất lên 20–30 sản phẩm/phút
2. Nâng cấp lên 3–4 cấp phân loại bằng cách thêm trục xoay thứ ba hoặc nhiều vị trí xuất
3. Kết nối SCADA/HMI để giám sát từ xa, ghi log dữ liệu sản xuất
4. Kết hợp camera nhận dạng hình ảnh để phân loại đồng thời theo khối lượng và chất lượng bề mặt
5. Nghiên cứu thuật toán lọc Kalman cho tín hiệu Loadcell để giảm sai số xuống ±0.5g

---

Đối tượng hưởng lợi

• Sinh viên cơ khí/tự động hóa: Mô hình thực tế tích hợp đầy đủ từ thiết kế CAD → gia công → lập trình PLC → thử nghiệm; tài liệu minh bạch với bản vẽ kỹ thuật chi tiết
• Kỹ sư và nhà phát triển: Tham khảo giải pháp tích hợp Loadcell–PLC–cơ cấu 2-DOF; code Ladder Logic có thể tái sử dụng cho bài toán phân loại tương tự
• Doanh nghiệp nông sản nhỏ: Giải pháp chi phí ~10 triệu VNĐ, hoàn vốn nhanh, không đòi hỏi kỹ thuật viên trình độ cao để vận hành
• Nhà nghiên cứu: Dữ liệu thực nghiệm trên 5 loại trái cây, phương pháp luận phát triển sản phẩm cơ điện tử quy mô nhỏ

---

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật để triển khai? Nguồn 220V AC; không gian tối thiểu 500×400mm; người vận hành cần được đào tạo 2–4 giờ về cài đặt ngưỡng khối lượng trên PLC.

2. Giới hạn khả năng mở rộng? PLC FX3U-24MT hỗ trợ tối đa 24 I/O — đủ để mở rộng thêm 2 trục phân loại và 4 cảm biến bổ sung mà không cần thay thế bộ điều khiển.

3. Tích hợp với hệ thống hiện có? Loadcell xuất tín hiệu analog 0–10V chuẩn công nghiệp; PLC FX3U hỗ trợ giao thức RS-485/Modbus RTU để kết nối với hệ thống quản lý sản xuất (MES/SCADA).

4. Bảo trì và hỗ trợ? Thay dây đai hoặc kiểm tra ổ bi 6202 định kỳ mỗi 500 giờ vận hành; hiệu chuẩn lại Loadcell mỗi 3 tháng; phụ tùng thay thế có sẵn trên thị trường Việt Nam.

5. Phân tích chi phí và thời gian hoàn vốn? Tổng đầu tư ~9.5 triệu VNĐ; tiết kiệm 1 nhân công phân loại (6 triệu/tháng) → hoàn vốn trong ≤2 tháng với ca sản xuất 8 giờ/ngày.

---

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và Chế tạo Đài Xoay 2 Bậc Tự Do" đã hoàn thành việc xây dựng một hệ thống phân loại trái cây theo khối lượng tích hợp cơ-điện-điều khiển hoàn chỉnh, với các thành tựu nổi bật:

• Kỹ thuật: Chế tạo thành công cơ cấu 2-DOF compact (265×195×365mm), tích hợp Loadcell YZC-133 với PLC Mitsubishi FX3U đạt độ chính xác phân loại 93% trên 100 mẫu thực nghiệm
• Khoa học: Ứng dụng nguyên lý 6 bậc tự do, tính toán momen quán tính bằng SolidWorks, thiết kế thuật toán PLC Ladder Logic cho bài toán phân loại thực tế
• Kinh tế: Giải pháp chi phí ~9.5 triệu VNĐ, hoàn vốn trong 2 tháng — khả thi với doanh nghiệp nông sản quy mô nhỏ và vừa tại Việt Nam

Đề tài mở ra hướng phát triển tiếp theo gồm tích hợp băng tải tự động, mở rộng đa cấp phân loại và kết nối SCADA. Nhóm tác giả khuyến khích các nhóm nghiên cứu tiếp theo ứng dụng thuật toán lọc tín hiệu nâng cao để cải thiện độ chính xác Loadcell và tích hợp thị giác máy để phân loại đa tiêu chí trong một chu kỳ vận hành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài Chương 3: Cơ sở lý thuyết Chương 4: Phương án thiết kế Chương 5: Tính toán, thiết kế Chương 6: Chế tạo thử nghiệm 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ BÀI 2.1 Tổng quan về đài xoay Đài xoay là một thiết bị cơ khí quan trọng và có nhiều ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, thương mại, khoa học, và thậm chí trong cuộc sống hàng ngày. Đặc biệt không thể thiếu trong ngành công nghiệp cơ khí hiện đại nói chung và ngành gia công cơ khí chính xác nói riêng, nó giúp xoay chi tiết hoặc bộ phận máy móc xung quanh một trục cố định để thực hiện các thao tác gia công hoặc kiểm tra từ nhiều góc độ khác nhau. Đóng góp vào việc nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng năng suất sản xuất, và mở rộng khả năng gia công. Việc hiểu rõ và tận dụng hết các lợi ích của đài xoay cơ khí sẽ giúp các doanh nghiệp cơ khí đạt được hiệu quả sản xuất cao nhất và đáp ứng tốt hơn các yêu cầu kỹ thuật ngày càng khắt khe.1: Đài xoay 2 bậc tự do 4 2.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động đài xoay 2.1 Cấu tạo của đài xoay Hình 2.2: Cấu tạo của đài xoay - Bàn xoay Đây là phần chính của đài xoay, được thiết kế để chứa gá đặt và xoay các chi tiết cần gia công, kiểm tra đo lường.

Bàn xoay có thể có kích thước và tải trọng khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu gia công cụ thể. Bàn mặt của bàn xoay thường có các rãnh để gắn và cố định các chi tiết hoặc kẹp chúng bằng các phương tiện cố định khác nhau. - Trục xoay Đây là thành phần gắn với đài xoay giúp đài xoay xoay quanh trục cố định.Trục xoay có thể là trục ngang hoặc trục đứng, trục nghiêng, phụ thuộc vào thiết kế của đài xoay. 5 Trục xoay có cơ chế để điều khiển góc quay và đảm bảo độ chính xác trong quá trình gia công, kiểm tra đo lường sản phẩm.

- Vòng bi Để đảm bảo bàn xoay quay mượt mà và giảm ma sát, các vòng bi thường được sử dụng. Vòng bi giúp giảm lực cản và tăng độ bền cho hệ thống. - Cơ cấu điều khiển Đài xoay có thể được điều khiển bằng tay hoặc bằng động cơ. Đối với đài xoay bằng tay, người sử dụng có thể dễ dàng xoay bàn xoay để điều chỉnh vị trí và góc quay của chi tiết.

Đối với đài xoay bằng động cơ, có thể tích hợp với hệ thống CNC để tự động hoá quá trình gia công, từ đó tăng độ chính xác và hiệu suất sản xuất. - Hệ thống khoá và cố định Để đảm bảo chi tiết được gia công không bị di chuyển trong quá trình quay, đài xoay cơ khí thường có các hệ thống khóa và cố định. Các khớp nối và cần điều khiển sẽ giúp cố định chi tiết một cách chắc chắn trên bàn xoay, tránh trường hợp chi tiết bị sai lệch khi thực hiện gia công. - Giá đỡ Khung đỡ là cấu trúc chịu lực lớn nhất của toàn cơ cấu, giữ toàn bộ hệ thống cố định và đảm bảo độ ổn định khi bàn xoay hoạt động.2 Nguyên lý hoạt động của đài xoay Bộ Điều Tín hiệu Bộ truyền Động cơ Khiển động Điện, khí nén Đài xoay Trục xoay Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của đài xoay 6 Bộ điều khiển sau khi được cấp điện, sẽ truyền tín hiệu đến động cơ, động cơ hoạt động truyền tỉ số truyền đến bộ truyền động, bộ truyền động làm xoay trục xoay, trục xoay làm đài xoay hoạt động.3 Phân loại đài xoay 2.1 Phân loại theo cơ cấu truyền động a.

Sử dụng cơ cấu bánh răng Hình 2.4 Đài xoay sử dụng cơ cấu bánh răng Bàn xoay cơ khí sử dụng cơ cấu truyền động bánh răng là một thiết bị được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và lĩnh vực khác nhau nhờ vào khả năng điều khiển chính xác chuyển động quay. Bánh răng chủ động và bánh răng bị động ăn khớp với nhau, truyền chuyển động quay một cách chính xác và đồng bộ. Tỉ số truyền động giữa các bánh răng có thể được thiết kế để đạt được tốc độ và lực quay mong muốn. Chuyển động quay từ bánh răng bị động được truyền đến trục quay và từ đó truyền đến bàn xoay.

Điều này cho phép bàn xoay di chuyển theo hướng mong muốn với độ chính xác cao. - Ưu điểm + Cơ cấu bánh răng đảm bảo rằng chuyển động quay được truyền một cách chính xác, giúp điều khiển vị trí của bàn xoay một cách hiệu quả. 7 + Hệ thống bánh răng có khả năng chịu được tải trọng lớn, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu lực quay cao. + Các thành phần làm từ vật liệu chất lượng độ cứng cao giúp hệ thống hoạt động bền bỉ và ít hỏng hóc.

- Nhược điểm + Việc chế tạo và lắp ráp các bánh răng chính xác có thể tốn kém, đặc biệt là khi yêu cầu vật liệu chất lượng cao và gia công chính xác. + Các bánh răng, đặc biệt là bánh răng thẳng, có thể tạo ra tiếng ồn khi hoạt động ở tốc độ cao hoặc dưới tải trọng lớn. + Mặc dù vòng bi giúp giảm ma sát, nhưng vẫn có sự mài mòn tự nhiên giữa các bánh răng trong quá trình hoạt động, cần bảo dưỡng định kỳ. + Một khi hệ thống bánh răng đã được thiết kế và lắp đặt, việc thay đổi tỉ số truyền động hoặc cấu trúc hệ thống có thể phức tạp và tốn kém.

Sử dụng dây đai Hình 2.5 Đài xoay sử dụng cơ cấu truyền dây đai Đài xoay sử dụng bộ truyền dây đai là một giải pháp phổ biến trong các ứng dụng cần truyền động linh hoạt và hiệu quả. Bộ truyền dây đai có một số ưu điểm như khả năng giảm chấn động, hoạt động êm ái và dễ dàng bảo trì bảo dưỡng lắp đặt. - Ưu điểm 8 + Dây đai có khả năng giảm chấn động và hoạt động êm hơn so với các loại truyền động cứng như bánh răng. + Dây đai và puli dễ dàng thay thế và bảo trì.

+ Dây đai có thể điều chỉnh để phù hợp với các khoảng cách trục khác nhau. + Đặc biệt khi sử dụng dây đai răng. - Nhược điểm + Dây đai có thể bị mài mòn theo thời gian và cần phải thay thế định kỳ. + Dây đai cần được căng đúng cách để tránh trượt và giảm hiệu suất.

+ Dây đai không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu truyền tải cao hoặc chính xác tuyệt đối. Sử dụng trục vít Hình 2.6 Đài xoay sử dụng bộ truyền bánh vít Đài xoay sử dụng bộ truyền bánh vít là một thành phần cơ khí thường được sử dụng trong các máy công cụ và thiết bị yêu cầu điều khiển vị trí chính xác và khả năng chịu tải lớn. - Ưu điểm + Khả năng tự khóa tốt. + Tỉ số truyền lớn, thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu điều khiển chính xác và tốc độ chậm.

9 - Nhược điểm + Hiệu suất không cao do ma sát lớn. + Yêu cầu bôi trơn tốt và bảo dưỡng thường xuyên. Sử dụng xích và đĩa xích Hình 2.7 Đài xoay sử dụng xích và đĩa xích Đài xoay sử dụng xích và đĩa xích là một loại cơ cấu xoay trong các hệ thống cơ khí, trong đó xích và đĩa xích được sử dụng để truyền chuyển động quay. Loại cơ cấu này thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu tải trọng lớn và độ bền cao.

- Ưu điểm + Xích và đĩa xích có khả năng chịu tải trọng lớn, thích hợp cho các ứng dụng công nghiệp nặng. + Xích và đĩa xích thường được làm từ vật liệu bền chắc, giúp tăng độ bền và tuổi thọ của hệ thống. + Xích và đĩa xích có thể hoạt động tốt trong môi trường bụi bẩn, ẩm ướt, và nhiệt độ cao. + Xích và đĩa xích dễ dàng kiểm tra, bảo trì và thay thế khi cần thiết.

- Nhược điểm + Hệ thống xích và đĩa xích có thể gây tiếng ồn lớn hơn so với các hệ thống truyền động khác như dây đai. + Cần bôi trơn và kiểm tra xích và đĩa xích định kỳ để đảm bảo hoạt động mượt mà và tránh mài mòn. 10 + Nếu không được điều chỉnh đúng cách, xích có thể trượt trên đĩa xích, làm giảm hiệu suất truyền động. Sử dụng thuỷ lực khí nén Hình 2.8 Đài xoay sử dụng thủy lực hoặc khí nén Đài xoay sử dụng thủy lực hoặc khí nén là một loại cơ cấu xoay trong công nghiệp được sử dụng rộng rãi để cung cấp chuyển động xoay một cách chính xác và điều khiển được trong các ứng dụng công nghiệp.

Cơ cấu này thường được áp dụng trong các hệ thống tự động hóa và các ứng dụng yêu cầu khả năng nâng hạ hoặc xoay một góc lớn. - Ưu điểm + Tạo ra lực quay mạnh mẽ và chính xác. + Hoạt động ổn định và hiệu suất cao. + Khả năng điều chỉnh lực quay dễ dàng.

- Nhược điểm + Cần hệ thống bơm và đường ống phức tạp. + Có thể bị rò rỉ dầu gây ô nhiễm môi trường. + Chi phí bảo trì và vận hành cao.2 Phân loại theo phương thức điều khiển Điều khiển hở: Trong hệ thống không có hồi tiếp các thông số làm việc của đài xoay. Cơ cấu truyền động trong loại điều khiển này được truyền động theo bước.

Các 11 động cơ DC thường, động cơ thủy lực, khí nén,… thường được dùng trong điều khiển hở. Điều khiển kín: Điều khiển kín hay còn gọi là điều khiển Servo, kiểu điều khiển này giống điều khiển hở nhưng có thêm phần hồi tiếp các thông số làm việc về bộ xử lý trung tâm để điều khiển. Thường dùng các loại động cơ Servo (DC, AC, thủy, khí…).3 Phân loại theo số bậc tự do Các loại đài xoay cơ khí có thể được phân loại theo bậc tự do (Degrees of Freedom - DOF) là một cách để mô tả khả năng xoay của chiếc đài xoay quanh các trục khác nhau. Dựa trên số bậc tự do, chúng ta có thể chia đài xoay thành các loại.

Đài xoay 1 bậc tự do Hình 2.9 Đài xoay 1 bậc tự do Đài xoay cơ khí 1 bậc tự do là một thiết bị cơ khí cho phép chuyển động quay theo một trục duy nhất. Đây là một phần quan trọng trong các hệ thống tự động hóa và trong gia công cơ khí, nơi nó được sử dụng để xoay và vị trí hoá các chi tiết để gia công một cách chính xác và hiệu quả. - Ưu điểm + Đài xoay cơ khí 1 bậc tự do có thiết kế đơn giản, dễ dàng sử dụng và bảo trì.