Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu tự động hóa trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp tại Việt Nam ngày càng tăng cao nhằm nâng cao năng suất, duy trì sự ổn định của chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí nhân công. Phân loại sản phẩm là một công đoạn quan trọng nhưng mang tính lặp đi lặp lại, đơn điệu và dễ xảy ra sai sót nếu thực hiện thủ công. Việc ứng dụng các hệ thống tự động hóa linh hoạt, kết hợp các công nghệ điều khiển khả trình, cảm biến quang học và cơ cấu chấp hành khí nén giúp tối ưu hóa không gian lưu trữ và luồng vận chuyển hàng hóa trong chuỗi cung ứng. Đồ án "Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm" (Product Sorting System) được thực hiện trong khuôn khổ học phần Thiết kế hệ thống Cơ điện tử (Project II - ME4186), Trường Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội nhằm củng cố kiến thức chuyên ngành và giải quyết bài toán kỹ thuật thực tế này.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể theo đề tài thiết kế (Mã đề VCK01-05):

  1. Khảo sát tổng quan về các nguyên lý và phương pháp phân loại sản phẩm tự động trong công nghiệp; phân tích đặc điểm hình học và vật lý của phôi để lựa chọn phương án công nghệ phù hợp.
  2. Xác định các thành phần cơ bản của hệ thống cơ khí và hệ thống điều khiển, thiết lập các chỉ tiêu kỹ thuật đầu vào.
  3. Tính toán thiết kế chi tiết kết cấu cơ khí: băng tải truyền động, bộ truyền xích, trục, then, ổ lăn và lựa chọn động cơ dẫn động.
  4. Lựa chọn cơ cấu cấp phôi, cơ cấu chấp hành khí nén (xi lanh, van đảo chiều, máy nén khí) và hệ thống cảm biến nhận diện.
  5. Xây dựng cấu hình hệ thống điều khiển, thành lập lưu đồ thuật toán cho hai chế độ vận hành bằng tay (MANUAL) và tự động (AUTO).
  6. Lập trình điều khiển trên nền tảng PLC (Programmable Logic Controller), thiết kế sơ đồ kết nối điện và mô phỏng hoạt động hệ thống trên phần mềm TIA Portal V16.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cơ điện tử phân loại sản phẩm tự động dạng băng tải kết hợp cơ cấu đẩy khí nén và bộ điều khiển PLC.
  • Phạm vi không gian và công nghệ: Thiết kế cơ khí chi tiết cho mô hình băng tải đơn, lựa chọn linh kiện công nghiệp tiêu chuẩn (động cơ điện DC, xích con lăn, xi lanh khí nén hai chiều, cảm biến quang Omron, PLC Siemens) và mô phỏng điều khiển trên máy tính.
  • Phạm vi thông số kỹ thuật đầu vào:
    • Năng suất làm việc: $N = 20$ sản phẩm/phút.
    • Dạng hình học của phôi: Phôi hình trụ với các kích thước ($h_1 = 5\text{ cm}, d_1 = 5\text{ cm}$), ($h_2 = 7\text{ cm}, d_2 = 5\text{ cm}$), ($h_3 = 9\text{ cm}, d_3 = 5\text{ cm}$) và các phôi hình lập phương.
    • Khối lượng phôi: $Q_{\min} = 0{,}2\text{ kg}$; $Q_{\max} = 5\text{ kg}$.
    • Nguồn động lực cấp phôi và gạt phôi: Khí nén.
    • Nguồn động lực kéo băng tải: Động cơ điện thông qua bộ truyền ngoài bằng xích.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và nguyên lý phân loại

Văn bản hệ thống hóa các giải pháp phân loại sản phẩm trong công nghiệp theo hai nhóm chính:

  • Phân loại theo đặc tính sản phẩm:
    • Theo màu sắc (Color sorting): Sử dụng nguồn sáng kết hợp cảm biến quang, camera CCD, tia hồng ngoại hoặc tia X để nhận biết mức độ phản xạ ánh sáng, tác động lên cơ cấu gạt cơ khí hoặc khí nén.
    • Theo thông số kích thước (Dimensional sorting): Nhận diện chiều cao, chiều rộng bằng cảm biến quang điện, camera CCD hoặc công tắc hành trình để phân luồng sản phẩm.
    • Theo khối lượng (Weight sorting): Ứng dụng cảm biến tải trọng (loadcell) tích hợp trên khay nghiêng hoặc cơ cấu lò xo để cân đo sản phẩm chính xác.
    • Theo mã vạch/mã QR (Barcode/QR code sorting): Sử dụng đầu đọc quang học chuyên dụng để xử lý dữ liệu định tuyến.
  • Phân loại theo cơ cấu chấp hành:
    • Hệ thống phân loại kiện (Case sorters): Cơ cấu con lăn/bánh xe nhô (Pop-up wheel/roller/belt, năng suất 40–100 thùng/phút), cánh tay gạt xoay (Pivoting arm, 50–100 kiện/phút), cơ cấu đẩy khí nén (Pusher sorter, 10–30 thùng/phút).
    • Hệ thống phân loại đơn vị (Unit sorters): Khay nghiêng (Tilt tray, 100–200+ khay/phút), băng tải chéo (Crossbelt, 100–200+ kiện/phút), khay đẩy (Push tray, 30–60 kiện/phút), cửa xả đáy (Bombay sorter, 100–230 khay/phút).

Phương pháp nghiên cứu

Đồ án áp dụng kết hợp các phương pháp kỹ thuật cơ điện tử:

  1. Phương pháp tính toán động học và động lực học cơ khí: Xác định công suất cản trên trục tang băng tải, tính chọn công suất động cơ, vận tốc đai, tỷ số truyền; tính toán độ bền mỏi, bước xích, số mắt xích và khoảng cách trục của bộ truyền xích con lăn; tính toán độ bền then và đường kính trục theo mô men xoắn và lực uốn.
  2. Phương pháp thiết kế mô hình hóa 3D: Sử dụng phần mềm CAD để dựng hình chi tiết khung nhôm định hình, đĩa xích, con lăn, vỏ động cơ, cơ cấu cấp phôi và hoàn thiện bản vẽ cụm tổng thể.
  3. Phương pháp cấu hình và giải thuật điều khiển trạng thái: Xây dựng lưu đồ giải thuật cho các chế độ vận hành; phân tích logic an toàn công nghiệp với nút dừng khẩn cấp và chuyển mạch chế độ.
  4. Phương pháp mô phỏng logic phần mềm: Khai báo bảng biến phân định (I/O tags, Memory tags), lập trình các khối chức năng OB1, FB Manual, FB Auto và xây dựng khối mạng mô phỏng tín hiệu cảm biến nội tại trên môi trường Siemens TIA Portal V16.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu nghiên cứu được trích xuất từ đề bài môn học ME4186, tài liệu tiêu chuẩn thiết kế cơ khí (bộ truyền xích, then, ổ lăn theo tiêu chuẩn chế tạo máy), cùng catalog tra cứu thông số kỹ thuật của các nhà sản xuất công nghiệp: Wanshin (động cơ điện), Omron (cảm biến quang điện E3F3, rơ le MY2NJ), Btec (máy nén khí BT2024), SMC (xi lanh CDJ2B16).

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống phân loại sản phẩm cơ điện tử được thiết kế gồm ba phân hệ chính: hệ thống kết cấu cơ khí, hệ thống khí nén - cảm biến và hệ thống điều khiển PLC.

1. Kiến trúc kết cấu cơ khí và truyền động

  • Băng tải đai (Belt Conveyor):
    • Khung băng tải chế tạo từ các thanh nhôm định hình (extruded aluminum bars) với chiều dài tiêu chuẩn mỗi thanh tối đa $1000\text{ mm}$, cho phép lắp ghép linh hoạt không cần mối hàn.
    • Mặt băng sử dụng đai nhựa PVC nhằm giảm thiểu tiếng ồn, thuận tiện vệ sinh và đảm bảo hệ số ma sát ổn định với đáy sản phẩm.
    • Tang dẫn và tang bị dẫn tiêu chuẩn có đường kính $d = 60\text{ mm}$.
  • Hệ thống dẫn động:
    • Động cơ điện: Động cơ DC không chổi than Wanshin mã hiệu 80YS25DV22, công suất định mức $P_{dc} = 25\text{ W}$, tốc độ đầu ra sau hộp giảm tốc tích hợp (tỷ số truyền $u_{tv} = 10$) là $n = 50\text{ rpm}$ (tốc độ động cơ không hộp số đạt $35\text{ rpm}$ theo thông số tính toán yêu cầu $P_{ct} = 24{,}6\text{ W}$, sơ bộ $n_{sb} = 1400\text{ rpm}$), điện áp nguồn cấp 220V.
    • Bộ truyền xích ngoài: Sử dụng bộ truyền xích con lăn (Bush roller chain) truyền động từ trục ra của hộp giảm tốc đến trục tang chủ động của băng tải.
Thông số bộ truyền xích Ký hiệu Giá trị định lượng Đơn vị
Loại xích - Xích con lăn (Bush roller) -
Bước xích $t$ 12,7 mm
Số mắt xích $x$ 114 mắt
Khoảng cách trục $a$ 508,487 mm
Số răng đĩa xích nhỏ (chủ động) $z_1$ 25 răng
Số răng đĩa xích lớn (bị động) $z_2$ 42 răng
Vật liệu chế tạo đĩa xích - Thép C45 -
Đường kính vòng chia đĩa nhỏ / lớn $d_1$ / $d_2$ 101,33 / 169,94 mm
Đường kính đỉnh răng đĩa nhỏ / lớn $d_{a1}$ / $d_{a2}$ 106,88 / 175,33 mm
Đường kính chân răng đĩa nhỏ / lớn $d_{f1}$ / $d_{f2}$ 92,67 / 161,28 mm
  • Kết cấu trục, then và ổ lăn:
    • Đường kính đoạn trục lắp đĩa xích: $15\text{ mm}$.
    • Đường kính đoạn trục lắp ổ bi đỡ: $17\text{ mm}$ (sử dụng ổ bi số hiệu 1000903).
    • Đường kính đoạn trục lắp tang băng tải: $60\text{ mm}$.
    • Mối ghép then có độ dôi: Bề rộng then $b = 5\text{ mm}$, chiều cao then $h = 5\text{ mm}$, chiều dài then $L = 25\text{ mm}$; chiều sâu rãnh then trên trục là $3\text{ mm}$, trên may-ơ là $2\text{ mm}$.

2. Hệ thống khí nén và thiết bị điện

  • Cơ cấu chấp hành khí nén:
    • Xi lanh tác động kép (Double-acting cylinder) CDJ2B16-200Z chuyển động thẳng, đường kính nòng nén $D = 16\text{ mm}$, hành trình dịch chuyển $S = 200\text{ mm}$.
    • Điều khiển bằng van đảo chiều khí nén 5/2 (5 cửa 2 vị trí): Cửa cấp áp suất 1, hai cửa làm việc 2 và 4 nối với hai đầu xi lanh, hai cửa xả 3 và 5.
    • Nguồn cấp khí: Máy nén khí Btec BT2024 dung tích bình tích áp 24 lít.
  • Cảm biến và thiết bị điện công nghiệp:
    • Cảm biến phát hiện: Cảm biến quang điện OMRON E3F3 đo tiệm cận quang học.
    • Rơ le trung gian: OMRON MY2NJ (điện áp cuộn hút 24VDC, tiếp điểm định mức 5A - 24VDC).
    • Thiết bị điều khiển và hiển thị tại tủ điện: Đèn báo pha LED AD16-22DS; nút ấn nhả hồi vị lò xo LA38; nút ấn dừng khẩn cấp tự khóa LA38-11ZD; công tắc xoay 2 vị trí chuyển chế độ MANUAL/AUTO LA38-11.

3. Cấu hình chương trình điều khiển và kiểm thử mô phỏng

Chương trình điều khiển được cấu hình trên phần mềm Siemens TIA Portal V16, tổ chức theo mô đun chức năng:

  • Phân bổ vùng nhớ biến (Tags): Bảng biến đầu vào thực tế (Main Input Tags), bảng biến mô phỏng đầu vào (Main Input Simulation Tags), bảng biến trung gian (Intermediate Tags), bảng biến đầu ra điều khiển cuộn dây van và động cơ (Output Tags), bảng biến nguyên đếm sản phẩm (Integer Tags).
  • Cấu trúc khối điều khiển:
    • Khối tổ chức chính (Main [OB1]): Điều phối chu kỳ quét và gọi các khối chức năng.
    • Khối chức năng ngõ ra (Output FB): Quản lý kích hoạt rơ le trung gian, van khí nén và khởi động từ điều khiển động cơ.
    • Khối chức năng chế độ Bằng tay (Manual FB): Thực thi logic từng bước theo nút bấm START độc lập tại mỗi trạm.
    • Khối chức năng chế độ Tự động (Auto FB): Bao gồm mạng khởi tạo/xóa trạng thái (Reset Network) và các mạng điều khiển tuần tự (Operating Networks).
  • Mô phỏng chu trình trên TIA Portal V16: Tác giả tích hợp mạng logic mô phỏng chuyển động của sản phẩm trên băng tải và mạng tự động giả lập kích hoạt tín hiệu cảm biến quang khi sản phẩm đến vị trí, cho phép kiểm chứng toàn diện hai chế độ MANUAL và AUTO thông qua giao diện SIMATIC Module mà không cần phần cứng thực tế.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mô tả hệ thống cơ khí (Description of the Mechanical System)

Chương 1 trình bày tổng quan về vai trò của tự động hóa phân loại hàng hóa trong chuỗi cung ứng (nhập kho, trả hàng, xuất kho tại các trung tâm phân phối và bán lẻ), khảo sát các nguyên lý phân loại sản phẩm công nghiệp (theo màu sắc, kích thước, khối lượng, mã vạch) và phân loại các dạng cơ cấu chấp hành (case sorters và unit sorters). Dựa trên thông số đầu bài thiết kế cho dải sản phẩm nhẹ ($Q_{\max} = 5\text{ kg}$, năng suất 20 sản phẩm/phút), tác giả lựa chọn giải pháp băng tải đai đơn phẳng kết hợp xi lanh đẩy khí nén.

Nội dung trọng tâm của chương tập trung vào tính toán và xác lập các thông số cơ khí chi tiết:

  • Thông số dải tải trọng và kích thước băng tải: Chiều dài làm việc của băng tải $L_w = 2000\text{ mm}$, chiều dài đai lựa chọn chuẩn $L = 2200\text{ mm}$, bề rộng bản đai $W = 200\text{ mm}$, độ dày đai PVC $H = 3\text{ mm}$, vận tốc băng tải $v = 0{,}11\text{ m/s}$, tải trọng tổng lớn nhất trên mặt băng $\Sigma Q_{\max} = 35\text{ kg}$.
  • Tính chọn động cơ dẫn động: Công suất cản yêu cầu trên trục tang $P_{ct} = 24{,}6\text{ W}$, tốc độ quay sơ bộ $n_{sb} = 1400\text{ rpm}$. Động cơ Wanshin 80YS25DV22 được chọn với công suất $P_{dc} = 25\text{ W}$, tốc độ ra trục hộp số 50 rpm (tỷ số truyền 10), cấp điện áp 220V.
  • Tính toán bộ truyền xích con lăn: Bước xích $t = 12{,}7\text{ mm}$, 114 mắt xích, khoảng cách trục $a = 508{,}487\text{ mm}$, số răng đĩa nhỏ $z_1 = 25$, số răng đĩa lớn $z_2 = 42$, vật liệu thép C45.
  • Xác định thông số trục và then: Đường kính trục tại các vị trí lắp đĩa xích ($15\text{ mm}$), ổ bi đỡ mã 1000903 ($17\text{ mm}$), may-ơ tang đai ($60\text{ mm}$); then bằng có kích thước $5\times 5\times 25\text{ mm}$.
  • Lựa chọn thiết bị khí nén và cảm biến: Xi lanh hai chiều CDJ2B16-200Z (nòng $16\text{ mm}$, hành trình $200\text{ mm}$), van đảo chiều khí nén 5/2, máy nén khí Btec BT2024 bình chứa 24 lít; cảm biến quang Omron E3F3; rơ le trung gian Omron MY2NJ (cuộn hút 24VDC, tiếp điểm 5A); khung nhôm định hình modul dài tối đa $1000\text{ mm}$.
  • Mô hình không gian 3D và chu trình công nghệ: Phôi từ phễu rung (vibrating feeder) chứa 4 chi tiết xếp chồng được xi lanh cấp phôi đẩy lần lượt lên băng tải tạo khoảng cách đều $250\text{ mm}$. Cảm biến thứ nhất đặt cách mặt băng tải $100{,}5\text{ mm}$ để phát hiện phôi cao $100\text{ mm}$ và gạt xuống máng trượt 1; cảm biến thứ hai đặt ở độ cao $70{,}5\text{ mm}$ phát hiện phôi cao $70\text{ mm}$ hoặc $50\text{ mm}$; các phôi có cùng độ cao $30\text{ mm}$ (gồm hai phôi lập phương khác màu và một phôi hình trụ) được phân biệt bằng cảm biến nhận diện hình dạng và cảm biến màu sắc để gạt vào các máng trượt tiếp theo hoặc di chuyển về cuối băng tải.

Chương 2: Cấu hình hệ thống điều khiển (Control System Configuration)

Chương 2 mô tả chi tiết sơ đồ khối vận hành của toàn hệ thống ở hai chế độ riêng biệt:

  • Chế độ Vận hành bằng tay (MANUAL Mode):
    • Nhấn nút START: Đèn báo màu xanh sáng, động cơ băng tải bắt đầu chạy.
    • Cảm biến tại phễu cấp phôi kiểm tra sự hiện diện của phôi. Nếu không có phôi, động cơ dừng sau một khoảng thời gian trễ ngắn; nếu có phôi, động cơ tiếp tục vận hành.
    • Nhấn nút START lần tiếp theo: Xi lanh cấp phôi đẩy một sản phẩm lên mặt băng tải để vận chuyển tới cảm biến trạm S1.
    • Khi cảm biến tại trạm S1 phát hiện sản phẩm phù hợp chiều cao, động cơ băng tải dừng. Nhấn nút START, xi lanh tại S1 tác động đẩy phôi vào máng chứa, cảm biến đếm tại trạm S1 tăng thêm 1 đơn vị ($+1$).
    • Nếu cảm biến S1 không tác động, băng tải tiếp tục chạy đưa phôi đến trạm S2. Khi cảm biến S2 kích hoạt, động cơ dừng; nhấn nút START, xi lanh tại S2 đẩy phôi vào khay chứa, bộ đếm tại S2 cộng 1 ($+1$).
    • Nếu cảm biến S2 không kích hoạt, phôi tiếp tục di chuyển đến trạm S3, cảm biến đếm tại S3 tăng 1 ($+1$) và phôi đi thẳng vào hộp chứa cuối băng tải. Chu trình lặp lại với phôi tiếp theo.
  • Chế độ Tự động (AUTO Mode):
    • Quá trình nhận diện tín hiệu cảm biến, dừng/chạy băng tải, kích hoạt các xi lanh gạt phôi và đếm số lượng được bộ điều khiển PLC thực hiện tuần tự và tự động hoàn toàn theo giải thuật điều khiển đã lập trình mà không cần thao tác từng bước từ nút ấn.
  • Lựa chọn linh kiện điện:
    • Đèn chỉ thị LED AD16-22DS hiển thị trạng thái hệ thống.
    • Nút ấn hành trình nhả LA38 dùng cho các thao tác điều khiển bước.
    • Nút dừng khẩn cấp LA38-11ZD dạng ấn tự khóa, đảm bảo ngắt mạch điều khiển lập tức khi có sự cố.
    • Công tắc xoay LA38-11 dùng để chuyển đổi dứt khoát giữa hai chế độ MANUAL và AUTO.
    • Cảm biến quang OMRON E3F3 và rơ le trung gian OMRON MY2N 24VDC đóng vai trò đệm công suất cách ly giữa ngõ ra PLC và van điện từ khí nén.

Chương 3: Chương trình điều khiển và sơ đồ mạch (Control Program and Diagrams)

Chương 3 công bố chi tiết kiến trúc phần mềm điều khiển và sơ đồ mạch điện kết nối phần cứng:

  • Đặc tả chương trình điều khiển PLC: Thiết lập toàn bộ danh bạ biến Tags bao gồm đầu vào số thực, đầu ra điều khiển van/động cơ, các biến cờ nội bộ (flags) và biến số nguyên đếm sản phẩm phục vụ giám sát số lượng.
  • Mạng logic các khối hàm trong TIA Portal V16:
    • Khối Main: Thực hiện quét chu kỳ, điều kiện dừng khẩn cấp và gọi các khối chức năng con.
    • Khối Output Functional Block: Xử lý khóa liên động logic giữa các ngõ ra để tránh xung đột cơ cấu chấp hành.
    • Khối Manual Operation Functional Block: Xây dựng các mạng điều khiển từng cụm chấp hành độc lập.
    • Khối Automatic Operation Functional Block: Thiết lập các network kích hoạt tuần tự theo trạng thái cảm biến và mạng reset xóa biến đếm khi hoàn thành chu trình hoặc khởi động lại.
    • Mạng mô phỏng chuyển động và kích hoạt cảm biến: Sử dụng các bộ định thời (Timer) và bộ đếm nội bộ để mô phỏng sự dịch chuyển cơ học của phôi trên băng chuyền, từ đó tự động phản hồi tín hiệu kích hoạt cảm biến về bộ điều khiển.
  • Sơ đồ đấu nối PLC: Thiết lập bản vẽ đấu dây chi tiết giữa các cổng đầu vào/đầu ra số (DI/DO) của PLC với dàn nút ấn, công tắc chuyển mạch, cuộn hút rơ le trung gian OMRON MY2N, van điện từ 5/2 và cảm biến quang OMRON E3F3.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Thiết kế hoàn chỉnh kết cấu cơ khí: Xác định đầy đủ các thông số kỹ thuật chế tạo của hệ thống băng tải đơn phẳng tải trọng cực đại $\Sigma Q_{\max} = 35\text{ kg}$, tốc độ vận hành $v = 0{,}11\text{ m/s}$, bề rộng đai $200\text{ mm}$, chiều dài tiêu chuẩn $2200\text{ mm}$.
  2. Tính toán đồng bộ hệ thống truyền động: Xác lập bộ thông số chuẩn của bộ truyền xích bước $12{,}7\text{ mm}$ ($z_1 = 25, z_2 = 42$, khoảng cách trục $508{,}487\text{ mm}$) kết hợp động cơ DC Wanshin $25\text{ W}$ qua hộp giảm tốc tỷ số truyền $10$, đảm bảo cung cấp mô men kéo ổn định với năng suất thiết kế $20\text{ sản phẩm/phút}$.
  3. Cấu hình khí nén phù hợp tải trọng: Tích hợp thành công xi lanh hai chiều CDJ2B16-200Z (nòng $16\text{ mm}$, hành trình $200\text{ mm}$) cùng van phân phối khí 5/2 và bình tích áp 24 lít, đáp ứng thời gian đáp ứng đẩy phôi dứt khoát trên băng chuyền.
  4. Xây dựng chương trình điều khiển và mô phỏng hoàn chỉnh: Triển khai cấu trúc chương trình điều khiển trên TIA Portal V16 đáp ứng đầy đủ hai chế độ MANUAL và AUTO, đồng thời xây dựng thành công thuật toán mô phỏng nội tại kiểm chứng toàn bộ chu trình phân loại phôi nhiều kích thước ($100\text{ mm}, 70\text{ mm}, 50\text{ mm}, 30\text{ mm}$) và khác biệt hình học/màu sắc.
Hạng mục thành phần Thông số / Model cụ thể trong đồ án
Động cơ điện chính Wanshin 80YS25DV22 ($P = 25\text{ W}$, $n = 50\text{ rpm}$ sau hộp số $u_{tv}=10$, 220V)
Bộ truyền ngoài Xích con lăn bước $t = 12{,}7\text{ mm}$, $z_1=25$, $z_2=42$, đĩa xích thép C45
Băng tải Dây đai PVC, khung nhôm định hình ($L_{\max}=1000\text{ mm}$), $W=200\text{ mm}$, $v=0{,}11\text{ m/s}$
Xi lanh đẩy phôi CDJ2B16-200Z (tác động kép, nòng $D=16\text{ mm}$, hành trình $S=200\text{ mm}$)
Van điều khiển khí Van đảo chiều 5/2 (5 cửa 2 vị trí)
Máy nén khí Btec BT2024 (dung tích bình tích áp 24 lít)
Cảm biến nhận diện Cảm biến quang điện OMRON E3F3
Rơ le trung gian OMRON MY2NJ (cuộn dây 24VDC, tiếp điểm 5A - 24VDC)
Nút ấn và hiển thị Đèn LED AD16-22DS, nút ấn LA38, nút khẩn cấp LA38-11ZD, công tắc xoay LA38-11
Nền tảng lập trình Siemens TIA Portal V16 (SIMATIC Module, ngôn ngữ hình thang/Ladder)

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

  • Ứng dụng khung nhôm định hình kết nối bằng bulong chuyên dụng thay thế cho kết cấu thép hàn truyền thống, giúp hệ thống có tính mô đun hóa cao, dễ dàng mở rộng chiều dài hoặc bổ sung các trạm phân loại mới mà không phá hủy kết cấu.
  • Sử dụng phương pháp điều khiển phân tầng: Tách biệt hoàn toàn giữa mạch điều khiển logic PLC, tầng đệm công suất bằng rơ le trung gian MY2NJ 24VDC và mạch động lực khí nén/động cơ, giúp triệt tiêu hiện tượng nhiễu xung điện từ khi đóng ngắt van khí nén.
  • Thiết kế mạng mô phỏng tín hiệu ảo (Simulation Tags) ngay trong chương trình PLC để kiểm tra tính đúng đắn của giải thuật điều khiển trước khi kết nối thiết bị thực.

Đóng góp của nghiên cứu

Đồ án đã cụ thể hóa quy trình tính toán, thiết kế một hệ thống cơ điện tử hoàn chỉnh theo định hướng chuẩn công nghiệp từ bước tính toán động lực học cơ khí, dựng hình 3D, lựa chọn linh kiện theo mã thương mại thực tế đến việc lập trình điều khiển và đấu nối mạch PLC.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Tác giả tự nhận định do khối lượng kiến thức chuyên môn rộng và một số phần chưa làm chủ hoàn toàn, quá trình tính toán cơ khí khó tránh khỏi những sai số và hạn chế nhất định.
  • Kết quả của đồ án dừng lại ở mức độ thiết kế mô hình 3D, tính toán lý thuyết và mô phỏng chương trình điều khiển trên phần mềm TIA Portal V16, chưa tiến hành gia công chế tạo mô hình thực nghiệm để đánh giá sai số cơ khí thực tế và độ rung lắc khi băng tải vận hành ở tải trọng lớn.
  • Việc phân loại phôi khác biệt về màu sắc và hình dạng ở các trạm cuối vẫn phụ thuộc vào việc bố trí nhiều cảm biến quang điện đơn lẻ, chưa ứng dụng công nghệ xử lý ảnh tiên tiến.

Hướng mở rộng nghiên cứu

  • Ứng dụng công nghệ thị giác máy tính (Machine Vision) với camera CCD và các thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI) như đã nêu trong phần mở đầu nhằm thay thế cụm cảm biến quang rời rạc, giúp nhận dạng linh hoạt nhiều hình thái sản phẩm phức tạp và mã định danh trên cùng một trạm kiểm tra.
  • Gia công chế tạo mô hình vật lý hoàn chỉnh dựa trên bản vẽ thiết kế để kiểm nghiệm thực tế độ bền của bộ truyền xích, độ chính xác vị trí dừng của băng tải và độ ổn định áp suất khí nén trong chu trình làm việc liên tục.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí và Tự động hóa: Cung cấp phương pháp thực hiện hoàn chỉnh một đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử (tương đương học phần ME4186), từ khâu xử lý số liệu đầu bài thiết kế đến việc hoàn thiện hồ sơ kỹ thuật.
  • Kỹ sư và người nghiên cứu thiết kế máy: Tham khảo các bảng tính toán chi tiết về bộ truyền xích con lăn, trục, then và phương pháp lựa chọn động cơ DC hộp số, xi lanh khí nén công nghiệp.
  • Người học lập trình điều khiển PLC: Đáng giá ở phương pháp cấu trúc khối chương trình trong TIA Portal V16 (Main, Output FB, Manual FB, Auto FB) và kỹ thuật viết các network mô phỏng chuyển động của phôi để kiểm thử giải thuật mà không cần mô hình vật lý.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ điện và bộ truyền ngoài được lựa chọn trong đồ án có các thông số kỹ thuật cụ thể nào? Hệ thống sử dụng động cơ DC Wanshin 80YS25DV22 có công suất định mức $25\text{ W}$, điện áp vào 220V, tốc độ ra sau hộp giảm tốc tích hợp ($u_{tv} = 10$) đạt $50\text{ rpm}$ (đáp ứng công suất tính toán yêu cầu $P_{ct} = 24{,}6\text{ W}$ và tốc độ sơ bộ $1400\text{ rpm}$). Bộ truyền ngoài là bộ truyền xích con lăn bước xích $t = 12{,}7\text{ mm}$, gồm 114 mắt xích, khoảng cách trục $a = 508{,}487\text{ mm}$, đĩa xích nhỏ 25 răng, đĩa xích lớn 42 răng, chế tạo từ thép C45.

2. Cơ cấu chấp hành khí nén sử dụng model thiết bị nào và yêu cầu thông số ra sao? Hệ thống sử dụng xi lanh khí nén tác động kép chuyển động thẳng model CDJ2B16-200Z có đường kính nòng $D = 16\text{ mm}$ và hành trình dịch chuyển $S = 200\text{ mm}$. Chuyển động của xi lanh được điều khiển bởi van đảo chiều khí nén 5/2 (5 cửa 2 vị trí). Áp suất khí nén cung cấp từ máy nén khí Btec BT2024 có dung tích bình chứa 24 lít.

3. Tiêu chí phân loại phôi và vị trí bố trí các cảm biến chiều cao trên băng tải được thiết kế như thế nào? Phôi được cấp từ phễu rung tạo khoảng cách đều $250\text{ mm}$. Cảm biến thứ nhất đặt cách bề mặt đai băng tải $100{,}5\text{ mm}$ để nhận diện phôi có chiều cao $100\text{ mm}$. Cảm biến tiếp theo được đặt ở độ cao $70{,}5\text{ mm}$ nhằm nhận diện phôi có chiều cao $70\text{ mm}$ hoặc $50\text{ mm}$. Đối với nhóm 3 phôi có cùng độ cao $30\text{ mm}$ (gồm 2 phôi lập phương khác màu và 1 phôi hình trụ), hệ thống sử dụng kết hợp cảm biến hình dạng và cảm biến màu sắc để phân định.

4. Cấu trúc chương trình PLC trên TIA Portal V16 được tổ chức thành các khối chức năng nào? Chương trình được chia thành các khối hàm chức năng độc lập: Khối tổ chức chính Main [OB1], khối xử lý ngõ ra Output Functional Block, khối vận hành chế độ bằng tay Manual Operation Functional Block, khối vận hành chế độ tự động Automatic Operation Functional Block (chứa mạng Reset và các mạng vận hành), cùng các network chuyên trách giả lập chuyển động của sản phẩm và kích hoạt tín hiệu cảm biến phục vụ mô phỏng.

5. Sự khác biệt cơ bản giữa chế độ vận hành MANUAL và AUTO trong hệ thống là gì? Ở chế độ MANUAL, từng hành động (chạy băng tải, đẩy xi lanh cấp phôi, kích hoạt xi lanh gạt tại trạm S1, S2 khi cảm biến phát hiện sản phẩm) đều đòi hỏi người vận hành nhấn nút START từng bước tương ứng. Ở chế độ AUTO, sau khi khởi động, toàn bộ quy trình nhận diện tín hiệu cảm biến, dừng băng tải, kích hoạt xi lanh đẩy phôi vào máng chứa và cập nhật bộ đếm sản phẩm đều được PLC điều khiển tự động và tuần hoàn theo thuật toán.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm" đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế một hệ thống cơ điện tử hoàn chỉnh theo yêu cầu kỹ thuật của học phần ME4186 tại Đại học Bách khoa Hà Nội. Tác giả đã hoàn thành việc tính toán, thiết kế chi tiết kết cấu cơ khí băng tải, bộ truyền xích, hệ thống cấp - gạt phôi khí nén và lựa chọn chính xác các thiết bị điện, cảm biến công nghiệp theo catalog tiêu chuẩn. Đồng thời, cấu hình điều khiển hai chế độ MANUAL/AUTO trên nền tảng PLC Siemens TIA Portal V16 đã được xây dựng và kiểm chứng thành công thông qua mạng mô phỏng logic nội tại. Đồ án cung cấp nguồn tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn cao cho sinh viên và kỹ sư hoạt động trong lĩnh vực thiết kế máy và tự động hóa công nghiệp.