Giới thiệu dự án

Ngành công nghiệp chế biến nông sản tại Việt Nam đóng vai trò then chốt trong chuỗi giá trị xuất khẩu và cung ứng nội địa. Theo thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, diện tích canh tác xoài cả nước đạt trên 115.000 ha với sản lượng hàng năm vượt 1 triệu tấn, tập trung chủ yếu tại các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long như Tiền Giang, Đồng Tháp, Vĩnh Long. Xoài là nguyên liệu chính cho các sản phẩm giá trị gia tăng cao: xoài sấy dẻo, mứt xoài, nước ép cô đặc và xoài đông lạnh (IQF). Tuy nhiên, nút thắt cổ chai lớn nhất trong chuỗi chế biến tại hơn 85% cơ sở sản xuất vừa và nhỏ (SMEs) là công đoạn gọt vỏ.

Hiện nay, việc gọt vỏ xoài chín vẫn phụ thuộc 90% vào nhân công thủ công. Thao tác thủ công bộc lộ nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng:

  • Năng suất thấp (chỉ đạt 15–20 kg/người/giờ).
  • Tỷ lệ hao hụt phần thịt quả cao (18–25% do lực gọt không đều và biên dạng xoài bất đối xứng).
  • Dễ làm bầm dập cấu trúc thịt xoài chín mềm.
  • Nguy cơ mất an toàn vệ sinh thực phẩm (ATVSTP) và chi phí nhân công tăng vọt vào thời điểm chính vụ.

Đề tài "Thiết kế, chế tạo máy gọt vỏ xoài" (Mã số đề tài: 22223DT222) được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu Khoa Cơ khí Chế tạo máy – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE) nhằm giải quyết bài toán tự động hóa bán phần cho khâu sơ chế xoài thương phẩm.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                          MỤC TIÊU DỰ ÁN CỤ THỂ                          |
+-------------------------------------------------------------------------+
| 1. Thiết kế cơ cấu định vị kẹp xoay theo phương đứng trục dọc           |
| 2. Tự động hóa quỹ đạo chuyển động dao gọt theo biên dạng quả xoài     |
| 3. Đồng bộ hóa chuyển động gọt kép (2 vị trí làm việc đồng thời)       |
| 4. Đạt năng suất thiết kế định mức 60 kg/giờ (120 - 150 quả/giờ)       |
| 5. Kiểm soát chiều sâu cắt lớp vỏ: 1.0 mm - 1.5 mm, giảm phế phẩm      |
| 6. Tối ưu chi phí chế tạo dưới 20 triệu VNĐ, vận hành nguồn DC 12V     |
+-------------------------------------------------------------------------+

Giải pháp kỹ thuật cốt lõi là ứng dụng nguyên lý gọt tiếp tuyến phối hợp 2 chuyển động: quả xoài quay tròn đồng trục kết hợp cụm dao gọt tịnh tiến dọc trục bằng cơ cấu trục vít me – đai ốc SUS304 dẫn hướng chính xác. Phạm vi ứng dụng của máy tập trung vào các giống xoài thương phẩm phổ biến: Xoài Tứ Quý, Xoài Keo, Cát Chu, Xoài Thái với chiều dài quả từ 110–150 mm, đường kính 60–90 mm, trọng lượng 350–550 g/quả.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Khảo sát công nghệ chế biến trái cây hiện hành cho thấy sự phân hóa rõ rệt giữa các phân khúc thiết bị gọt xoài công nghiệp và bán công nghiệp:

Tiêu chí so sánh Kronen FP20 (Đức) PL6M Bán tự động (Ý) Phương pháp thủ công Giải pháp máy HCMUTE
Công suất động cơ 1.0 kW (3 pha 380V) 2.4 kW + Khí nén 6 bar Sức người 0.125 kW (DC 12V)
Năng suất xử lý 100 kg/h (12–16 quả/phút) 35–40 quả/phút 15–20 kg/h/người 60 kg/h (2–2.5 quả/phút)
Khối lượng máy 325 kg 650 kg Không 28 kg
Tỷ lệ hao thịt quả 18% – 21% 15% – 20% 20% – 28% 8% – 12%
Chi phí đầu tư > 800.000.000 VNĐ > 1.200.000.000 VNĐ Rất thấp (biến phí cao) < 18.000.000 VNĐ
Môi trường phù hợp Nhà máy FDI quy mô lớn Nhà máy chế biến sâu Hộ gia đình Cơ sở chế biến vừa và nhỏ

Phân loại yêu cầu kỹ thuật theo mô hình MoSCoW:

  • Must-have: Cơ cấu kẹp giữ tự định tâm chống dập thịt quả; cụm dao gọt đàn hồi ôm sát biên dạng xoài; bộ truyền vít me di chuyển tịnh tiến êm dịu; công tắc giới hạn hành trình tự ngắt an toàn.
  • Should-have: Khả năng gọt đồng thời 2 quả/chu kỳ; điều chỉnh vô cấp tốc độ cắt bằng PWM; khung vỏ Inox SUS304 chống oxy hóa axit hữu cơ.
  • Could-have: Bộ đếm sản lượng tự động; khay phân tách dòng phế phẩm vỏ và thịt quả riêng biệt.
  • Won't-have (giai đoạn 1): Hệ thống cấp phôi tự động bằng cánh tay robot; module camera phân loại quang học AI.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc máy được cấu trúc thành các module độc lập liên kết động học chặt chẽ:

                  +-----------------------------------+
                  |   BỘ NGUỒN TỔ ONG SWITCHING 12V  |
                  |          (12V DC - 30A)           |
                  +-----------------+-----------------+
                                    |
            +-----------------------+-----------------------+
            |                                               |
+-----------v-----------+                       +-----------v-----------+
| MẠCH TẠO TRỄ JZ-801   |                       | MẠCH PWM & ĐẢO CHIỀU |
| RELAY TIMER CHU KỲ    |                       | DRIVER DM128 (20A)    |
+-----------+-----------+                       +-----------+-----------+
            |                                               |
            +-----------------------+-----------------------+
                                    |
+-----------------------------------v-----------------------------------+
|                        HỆ THỐNG CHẤP HÀNH CƠ KHÍ                      |
|                                                                       |
|  [Động cơ DCM50-775] ----> Bộ kẹp quả xoài (Hành trình 80mm)           |
|  [Động cơ XD-60GA775] ---> Trục vít me SUS304 d12 p4 -> Tịnh tiến dao |
|  [Động cơ DCM50-775] ----> Cơ cấu mâm cặp xoay phôi (32 - 40 rpm)     |
|  [Hệ thống cảm biến]  ---> 06 Công tắc hành trình Omron Endstop      |
+-----------------------------------------------------------------------+

Thông số vật lý và tính toán bền động học:

  • Khung máy: Thép hộp $20 \times 20 \times 1\text{ mm}$, gia cố tấm bọc Inox SUS304 dày 0.2 mm đảm bảo chuẩn vi sinh thực phẩm.
  • Cơ cấu trục vít me – đai ốc:
    • Vật liệu trục vít: Thép không gỉ SUS304; Vật liệu đai ốc: Đồng thanh không thiếc ($[\sigma] = 8\text{ MPa}$, hệ số ma sát $f = 0.12$).
    • Đường kính danh nghĩa: $d = 12\text{ mm}$, bước ren $p = 4\text{ mm}$, số đầu mối $z_1 = 2$, góc nâng ren $\gamma = 12.95^\circ$, góc ma sát tương đương $\rho' = 6.85^\circ$.
    • Vì $\gamma > \rho'$, cơ cấu không tự hãm khi có ngoại lực đảo chiều, tối ưu tốc độ phản hồi đảo chiều bằng động cơ điện.

Kiểm nghiệm bền và độ ổn định uốn dọc Euler (Ơ-le) của trục vít: Ứng suất tương đương theo thuyết bền Von Mises:

$$\sigma_{td} = \sqrt{\sigma^2 + 3\tau^2} = \sqrt{3.7^2 + 3(5.9)^2} = 10.88\text{ MPa} \le [\sigma] = \frac{\sigma_{ch}}{s} = \frac{360}{3} = 120\text{ MPa}$$

Tải trọng tới hạn uốn dọc Euler với chiều dài tính toán $l = 400\text{ mm}$:

$$F_{th} = \frac{\pi^2 \cdot E \cdot J}{(\mu \cdot l)^2} = \frac{\pi^2 \cdot (2.1 \times 10^5) \cdot 88}{(1 \times 400)^2} = 1139\text{ N}$$

Hệ số an toàn ổn định:

$$S_o = \frac{F_{th}}{F_a} = \frac{1139}{174.6} = 6.52 > [S_o] = 2.5 \quad \text{(Thỏa mãn tuyệt đối)}$$

Methodology

Dự án áp dụng quy trình phát triển sản phẩm cơ điện tử V-Model kết hợp các vòng lặp Agile:

[Khảo sát cơ lý tính xoài] ---> [Mô hình hóa 3D CAD SolidWorks]
              |                                 |
              v                                 v
[Chế tạo cơ khí & Mạch điện] <--- [Mô phỏng CAE biến dạng Ansys]
              |
              v
[Thực nghiệm cắt & Tối ưu lưỡi dao] ---> [Hiệu chuẩn bán tự động]
  • Tiến độ triển khai: 16 tuần (Tuần 1–4: Nghiên cứu cơ lý tính và khảo sát lực; Tuần 5–8: Thiết kế 3D và tính toán cơ bền; Tuần 9–12: Gia công chi tiết Laser CNC và lắp ráp cơ điện; Tuần 13–16: Thực nghiệm cắt gọt và tối ưu hóa thông số).
  • Đánh giá rủi ro: Hiện tượng xoài trượt khỏi đầu kẹp khi gặp lực cắt tiếp tuyến lớn $\rightarrow$ Khắc phục bằng kết cấu đầu kẹp dạng gai đa chấu kết hợp lò xo nén trợ lực định vị tâm hạt $ID 12\text{ mm}$.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình gia công cơ khí chính xác được thực hiện trên máy cắt Laser Fiber CNC và máy phay kim loại cho các cụm gá đỡ:

  • Cụm bạc trượt dẫn hướng: Sử dụng con trượt bi tuyến tính LMK10UU, LMK16UU kết hợp gối đỡ SHF10 và ổ bi tự lựa KFL000 cố định đầu trục.
  • Lưỡi dao gọt: Thiết kế biên dạng cong chuyên dụng lấy cảm hứng từ dao bào thủ công, vật liệu thép hợp kim tôi cứng đạt độ sắc lưỡi mép cắt $20\text{--}40\ \mu\text{m}$, góc nghiêng ăn dao $15^\circ$, tích hợp cụm lò xo giảm chấn để tự động co giãn theo biên dạng lồi lõm của quả.
// Thuật toán điều khiển chu kỳ gọt tự động máy gọt xoài HCMUTE
void Execution_Peeling_Cycle() {
    // Bước 1: Khởi tạo và kiểm tra trạng thái an toàn
    if (Read_Sensor(EMERGENCY_SWITCH) == LOW && Read_Sensor(LIMIT_TOP) == HIGH) {
        Set_Relay(CLAMP_MOTOR, FORWARD);      // Hạ đầu kẹp định vị xoài
        while (!Read_Sensor(LIMIT_CLAMP_DONE));
        Stop_Motor(CLAMP_MOTOR);
        
        // Bước 2: Kích hoạt đồng thời động cơ xoay phôi và động cơ tiến dao
        Set_PWM(ROTATION_MOTOR, 180);         // Đạt tốc độ 32 - 40 RPM
        Set_PWM(FEED_SCREW_MOTOR, 220);       // Động cơ trục vít di chuyển v = 0.01 m/s
        
        // Bước 3: Giám sát hành trình cắt gọt
        while (!Read_Sensor(LIMIT_FEED_BOTTOM)) {
            Maintain_Tension_Spring();        // Giữ lực tì lưỡi dao Fc = 30 - 40 N
        }
        
        // Bước 4: Kết thúc chu kỳ, đảo chiều thu hồi dao và mở kẹp
        Stop_Motor(ROTATION_MOTOR);
        Set_PWM(FEED_SCREW_MOTOR_REVERSE, 255); // Thu hồi dao tốc độ cao
        Set_Relay(CLAMP_MOTOR, REVERSE);        // Nhấc đầu kẹp nhả sản phẩm
        while (!Read_Sensor(LIMIT_TOP));
        Stop_All_Actuators();
    }
}

Testing và validation

Nhóm nghiên cứu đã thực hiện các bài đo lực thực nghiệm với cảm biến đo lực chuyên dụng:

  • Lực kẹp hạt xoài ($F_k$): Đo trên 100 mẫu xoài Keo và Tứ Quý chín vừa. Để đầu gá ngập sâu $18\text{--}22\text{ mm}$ vào phần núm và đáy giữ chắc hạt, lực kẹp thực nghiệm đo được là $65\text{--}70\text{ N}$. Áp dụng hệ số an toàn $k = 2.0 \rightarrow F_{k_\text{chọn}} = 140\text{ N}$.
  • Lực gọt vỏ tiếp tuyến ($F_c$): Đo đạc lực cản cắt của lớp vỏ liên kết với thịt quả biến thiên từ $30\text{--}40\text{ N}$. Áp dụng hệ số an toàn $k = 2.0 \rightarrow F_{c_\text{chọn}} = 80\text{ N}$.
  • Mô phỏng FEM trên Ansys: Kết cấu khung chịu ứng suất cực đại $\sigma_{\max} = 28.4\text{ MPa}$ (thấp hơn nhiều so với giới hạn bền chảy thép hộp $235\text{ MPa}$), chuyển vị cực đại $\delta_{\max} = 0.042\text{ mm}$, hoàn toàn không rung lắc khi vận hành ở dải vận tốc cắt cao.
+-------------------------------------------------------------------------+
|                  KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM ĐO LỰC CƠ LÝ TÍNH                   |
+--------------------------+-----------------------+----------------------+
| Loại mẫu xoài thử nghiệm | Lực ép kẹp định vị(N) | Lực cắt gọt vỏ Fc(N) |
+--------------------------+-----------------------+----------------------+
| Xoài Keo chín vừa        |       70.0 N          |        32.6 N        |
| Xoài Tứ Quý chín vừa     |       65.0 N          |        30.0 N        |
| Xoài Cát Chu             |       58.0 N          |        28.5 N        |
| Xoài Thái xanh           |       85.0 N          |        44.2 N        |
+--------------------------+-----------------------+----------------------+

Kết quả đạt được

  • Thời gian hoàn thành 1 chu kỳ gọt kép (2 quả): $38\text{ giây}$ (bao gồm: Gá phôi: $5\text{s}$; Kẹp chặt: $5\text{s}$; Quá trình gọt hành trình $200\text{ mm}$: $20\text{s}$; Thu dao và tháo phôi: $8\text{s}$).
  • Năng suất thực tế: Đạt $63.2\text{ kg/giờ}$ (vượt $5.3%$ so với chỉ tiêu thiết kế ban đầu $60\text{ kg/giờ}$).
  • Chất lượng bề mặt: Lớp vỏ bóc sạch $> 96%$ bề mặt, chiều sâu cắt kiểm soát ổn định từ $1.1\text{--}1.4\text{ mm}$, bề mặt thịt xoài nhẵn bóng, không bầm dập hay nứt vỡ thớ thịt.

Đổi mới và đóng góp

  1. Cơ cấu dao gọt tự lựa đàn hồi biên dạng: Thay vì sử dụng dao định hình cố định đắt tiền hoặc tay máy servo phức tạp, máy sử dụng cơ cấu đòn bẩy kết hợp lò xo xoắn phản hồi lực liên tục. Khi bán kính quả xoài thay đổi từ phần đầu đến phần bụng và đuôi, lưỡi dao luôn duy trì áp lực tiếp xúc $35\text{ N}$, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng lẹm thịt hoặc sót vỏ.
  2. Hệ thống dẫn động trục vít đứng kép đồng bộ: Giúp máy thu gọn diện tích sàn chiếm dụng ($450 \times 400 \times 750\text{ mm}$), giảm $75%$ không gian so với các dòng máy gọt nằm ngang.
  3. Hiệu quả kinh tế vượt trội: Tiết kiệm $82%$ chi phí nhân công sơ chế tại xưởng, giảm tỷ lệ tổn thất nguyên liệu từ $22%$ xuống $10%$, mang lại lợi nhuận biên ròng tăng $12%$ cho các cơ sở làm mứt và xoài sấy.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Tình huống triển khai thực tế

Máy được cấu hình lý tưởng cho các hợp tác xã (HTX) nông nghiệp chế biến sấy dẻo, xưởng sản xuất nước ép hoa quả, bếp ăn công nghiệp và các siêu thị chế biến sẵn hoa quả tươi đóng hộp.

+------------------------------------------------------------------------+
|               BẢNG TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ KINH TẾ (ROI)                    |
+------------------------------------+-----------------------------------+
| Chi phí đầu tư máy gọt 2 đầu HCMUTE| 16.500.000 VNĐ                    |
| Chi phí nhân công gọt tay (3 người)| 22.500.000 VNĐ / tháng            |
| Chi phí điện năng tiêu thụ (8h/ngày)| 45.000 VNĐ / tháng                |
| Chi phí bảo trì, thay dao định kỳ  | 300.000 VNĐ / tháng               |
| Tiết kiệm nhân công hàng tháng     | 15.000.000 VNĐ / tháng            |
| Thời gian hoàn vốn đầu tư (Payback)| 1.1 tháng (~34 ngày vận hành)     |
+------------------------------------+-----------------------------------+

Hướng dẫn vận hành và bảo trì

  1. Yêu cầu lắp đặt: Cấp nguồn điện 1 pha 220V/50Hz qua Adapter chuyển đổi DC 12V–30A; đặt máy trên mặt bàn thao tác phẳng, chịu tải tối thiểu 50 kg.
  2. Quy trình vận hành 4 bước:
    • Bước 1: Bật cầu dao tự động MCB 2P C20.
    • Bước 2: Cắm tâm quả xoài vào trục giữ phía dưới.
    • Bước 3: Gạt công tắc chọn chế độ tự động và nhấn nút nhấn nhả AL6-M.
    • Bước 4: Cơ cấu tự động kẹp, xoay và gọt; sau khi chu kỳ dừng hoàn toàn, lấy sản phẩm ra và nạp cặp xoài tiếp theo.
  3. Bảo trì dự phòng:
    • Vệ sinh rửa sạch bằng vòi nước áp lực thấp sau mỗi ca làm việc (tránh xịt trực tiếp vào tủ điện điều khiển).
    • Tra mỡ thực phẩm an toàn NSF H1 vào cụm trục vít me – đai ốc đồng sau mỗi 120 giờ vận hành.
    • Mài lại hoặc thay mới lưỡi dao gọt sau mỗi 5 tấn nguyên liệu.

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế kỹ thuật:
    • Chưa xử lý triệt để phần vỏ tại 2 chỏm cực sát đầu cuống và đáy quả (vẫn cần 1 thao tác bấm đầu nhanh bằng tay chiếm ~1.5 giây).
    • Đối với xoài chín quá mềm (độ cứng thịt quả $< 0.5\text{ kg/cm}^2$), trục định vị hạt dễ gây xoay trượt lõi nếu tốc độ ăn dao quá nhanh.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Tích hợp thêm đầu cắt 2 đầu cực (top & tail cutting station) tự động trước khi gọt thân.
    • Nâng cấp bộ điều khiển trung tâm lên vi điều khiển STM32 / PLC Mitsubishi FX5U kết hợp màn hình cảm ứng HMI 7-inch để lưu trữ profile gọt riêng cho từng giống xoài (Xoài Úc, Cát Hòa Lộc, Tứ Quý).
    • Nghiên cứu cơ cấu cấp phôi phễu rung tự động nâng năng suất lên 120 kg/giờ.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên ngành Cơ điện tử / Chế tạo máy: Tài liệu tham khảo toàn diện về tính toán thiết kế bộ truyền trục vít – đai ốc chịu lực tổng hợp, bài toán kiểm nghiệm uốn dọc Euler và tích hợp mạch điều khiển động cơ DC dòng cao.
  • Kỹ sư thiết kế máy thực phẩm: Bộ số liệu thực nghiệm chuẩn xác về lực cắt gọt ($F_c$), lực kẹp ($F_k$) trên các giống xoài nhiệt đới thực tế tại Việt Nam.
  • Doanh nghiệp & Hộ kinh doanh vừa và nhỏ: Giải pháp cơ giới hóa giá rẻ, dễ chế tạo trong nước, linh kiện sẵn có trên thị trường, giúp giải phóng sức lao động và tối ưu hóa chi phí sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy có thể gọt được các loại quả khác ngoài xoài như ổi, đu đủ, thanh long không?
Máy hoàn toàn có thể gọt được các loại quả có hạt cứng trục tâm hoặc kết cấu thịt chắc tương đương như ổi, táo, đu đủ xanh bằng cách điều chỉnh cữ chặn hành trình và áp lực căng của lò xo cụm dao.

2. Nếu xảy ra hiện tượng kẹt dao giữa chừng thì xử lý sự cố như thế nào?
Nhấn ngay nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop) trên bảng điều khiển. Tủ điện trang bị module rơ-le ngắt mạch tức thì. Sau đó, bật công tắc chuyển chế độ sang Manual để điều khiển động cơ trục vít nâng cụm dao về vị trí gốc Home an toàn.

3. Tại sao máy sử dụng động cơ DC 12V thay vì động cơ Servo hay động cơ bước (Stepper Motor)?
Việc sử dụng động cơ DC giảm tốc (XD-60GA775 và DCM50-775) kết hợp mạch điều tốc PWM và rơ-le định thời giúp tối ưu hóa chi phí sản xuất xuống mức thấp nhất, không yêu cầu lập trình vi xử lý đắt tiền, người thợ cơ khí phổ thông tại các xưởng nhỏ hoàn toàn có thể tự sửa chữa và thay thế linh kiện.

4. Lớp vỏ Inox SUS304 và khung sơn tĩnh điện có bị ăn mòn bởi nhựa và axit trong quả xoài không?
Inox SUS304 có khả năng kháng axit hữu cơ (axit citric, axit malic) và nhựa mủ của vỏ xoài tuyệt vời. Tuy nhiên, khuyến cáo cần vệ sinh xịt rửa máy sau mỗi ngày làm việc để tránh nhựa xoài khô cứng gây kẹt con trượt bi.

5. Chi phí bảo trì hàng năm ước tính là bao nhiêu?
Chi phí bảo trì cực kỳ thấp, ước tính khoảng 800.000 – 1.200.000 VNĐ/năm, chủ yếu dành cho việc thay thế cặp lưỡi dao gọt, vòng bi đỡ KFL000 và bổ sung mỡ bôi trơn an toàn thực phẩm.

Kết luận

Đề tài "Thiết kế, chế tạo máy gọt vỏ xoài" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa một khâu gia công phức tạp trong ngành chế biến nông sản. Với kết cấu cơ khí nhỏ gọn, chi phí chế tạo tối ưu dưới 18 triệu VNĐ, năng suất thực nghiệm vượt định mức $63.2\text{ kg/giờ}$ và tỷ lệ bóc vỏ sạch đồng đều, máy gọt vỏ xoài 2 đầu cắt đã chứng minh tính khả thi kỹ thuật vượt trội và giá trị ứng dụng thực tiễn to lớn. Đây là giải pháp công nghệ sẵn sàng chuyển giao, góp phần nâng cao chuỗi giá trị và năng lực cạnh tranh cho trái cây Việt Nam trên thị trường quốc tế.