Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò thiết yếu trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí vận hành. Dây chuyền tự động hóa thực hiện các công đoạn từ vận chuyển nguyên vật liệu, gia công cho đến phân loại và đóng gói thành phẩm. Tuy nhiên, tại nhiều doanh nghiệp vừa và nhỏ, khâu phân loại và đóng gói sản phẩm vẫn phụ thuộc phần lớn vào phương thức thủ công sử dụng sức lao động con người. Việc này dẫn đến năng suất lao động không cao, tốc độ xử lý chậm và dễ phát sinh sai sót do tính chất công việc mang tính lặp đi lặp lại.

Nhằm giải quyết bài toán thực tiễn nêu trên, đề tài "Thiết kế mô hình mô phỏng tay máy 3 bậc tự do sử dụng trong dây truyền phân loại sản phẩm" được thực hiện với các định hướng cụ thể:

  1. Mục tiêu nghiên cứu:

    • Mục tiêu kinh tế: Thiết kế mô hình có khả năng tự động phân loại sản phẩm theo 3 cấp kích thước chiều cao (Cao, Trung bình, Thấp), góp phần gia tăng năng suất làm việc, tối ưu chi phí đầu tư và vận hành phù hợp với quy mô doanh nghiệp vừa và nhỏ.
    • Mục tiêu kỹ thuật: Xây dựng hệ thống vận hành ổn định, chính xác; tích hợp đồng bộ giữa kết cấu cơ khí truyền động, hệ thống chấp hành khí nén và mạch điều khiển điện tử; đảm bảo các tiêu chuẩn an toàn lao động cho người và thiết bị.

  2. Nhiệm vụ nghiên cứu:

    • Khảo sát tổng quan về dây chuyền sản xuất tự động và các phương pháp phân loại sản phẩm trong công nghiệp.
    • Phân tích, so sánh và lựa chọn phương án thiết kế tối ưu cho cơ cấu băng tải, cơ cấu chấp hành tay máy, cảm biến và bộ điều khiển trung tâm.
    • Tính toán thông số kỹ thuật động học, động lực học phần cơ khí (bộ truyền đai, băng chuyền) và các cơ cấu xilanh khí nén cho tay máy 3 bậc tự do kèm khâu kẹp gắp.
    • Thiết kế sơ đồ nguyên lý phần điện, sơ đồ đấu nối và xây dựng chương trình điều khiển logic cho hệ thống.

  3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

    • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình phân loại sản phẩm theo kích thước chiều cao kết hợp cơ cấu tay máy 3 bậc tự do và băng chuyền tải.
    • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu ứng dụng kiến thức các môn học chuyên ngành Điện tự động công nghiệp (Khí cụ điện, Máy điện, Truyền động điện, Điều khiển logic PLC) để thiết kế mô hình thực nghiệm, hoàn thành trong năm 2017 tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng tổng hợp các cơ sở lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật điện - tự động hóa và cơ khí truyền động:

  • Cơ sở lý thuyết:

    • Lý thuyết điều khiển khả trình (PLC): Nguyên lý thu nhận và xử lý tín hiệu logic thông qua bộ điều khiển logic khả trình PLC Siemens S7-200 (CPU 224), kiến trúc bộ nhớ, tập lệnh Boole và vòng quét chương trình.
    • Lý thuyết truyền động điện và máy điện: Nguyên lý biến đổi điện năng thành cơ năng của động cơ dòng điện một chiều (DC) có tích hợp hộp giảm tốc; phương trình cân bằng điện áp và quan hệ mô-men xoắn.
    • Lý thuyết truyền động khí nén: Nguyên lý biến đổi áp năng thành động năng cơ học thông qua hệ thống van đảo chiều 5/2, van tiết lưu và các xilanh khí nén tác động kép.
    • Lý thuyết cơ học và truyền động cơ khí: Phương trình cân bằng lực, tính toán ma sát, công suất kéo của bộ truyền đai và băng tải; phương trình trạng thái khí lý tưởng để xác định lưu lượng và vận tốc xilanh.
    • Kỹ thuật cảm biến: Nguyên lý quang điện phản xạ khuếch tán để xác định sự hiện diện và kích thước vật thể không tiếp xúc.

  • Phương pháp nghiên cứu:

    • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập và đánh giá các giải pháp công nghệ phân loại hiện có (phân loại theo màu sắc, phân loại theo vật liệu từ tính, phân loại theo kích thước).
    • Phương pháp so sánh, lựa chọn giải pháp kỹ thuật: Thiết lập tiêu chí kỹ thuật - kinh tế để lựa chọn thiết bị cơ khí, động cơ dẫn động, cảm biến và bộ điều khiển.
    • Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Tính toán định lượng các thông số hình học, lực kéo, áp suất, vận tốc chuyển động và dung tích khí nén của hệ thống.
    • Phương pháp mô hình hóa và thiết kế điều khiển: Xây dựng lưu đồ giải thuật Grafcet, lập bảng phân công địa chỉ vào/ra (I/O) và thiết kế sơ đồ đấu nối mạch điện.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về hệ thống sản xuất tự động và hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao

Chương này trình bày khái niệm, vai trò và các ứng dụng điển hình của tự động hóa trong sản xuất công nghiệp:

  • Vai trò của tự động hóa: Giúp giảm giá thành sản phẩm, nâng cao năng suất, loại bỏ sự mất ổn định của lao động thủ công, cải thiện điều kiện làm việc trong các môi trường độc hại hoặc thao tác lặp lại, đồng thời đẩy mạnh tính chuyên môn hóa và khả năng hoán đổi chi tiết trong sản xuất hàng khối.
  • Các hệ thống phân loại công nghiệp hiện nay:
    • Hệ thống phân loại theo màu sắc: Sử dụng cảm biến màu để nhận dạng và chia tách sản phẩm (ví dụ: dây chuyền đóng gói thuốc).
    • Hệ thống phân loại theo vật liệu: Sử dụng cảm biến từ trường nhận biết kim loại (đồng, thép, sắt), ứng dụng trong phân loại bao bì, phôi vật liệu.
    • Hệ thống phân loại theo chiều cao: Tập trung giải quyết bài toán nhận diện và chia tách sản phẩm theo 3 mức kích cỡ (Cao, Trung bình, Thấp) để chuyển vào các ngăn chứa tương ứng.

Chương 2. Phân tích và chọn phương án thiết kế

Tác giả tiến hành phân tích đa tiêu chí nhằm lựa chọn các phần tử tối ưu cho mô hình:

Hạng mục cơ cấu Các phương án xem xét Phương án được chọn Rationale / Cơ sở lựa chọn
Loại băng tải Băng tải lá, băng tải thanh đẩy, băng tải con lăn, băng tải đai Băng tải dây đai Tải trọng phù hợp (< 50 kg), kết cấu đơn giản, vật liệu sẵn có, giá thành thấp.
Động cơ dẫn động Động cơ bước, động cơ điện một chiều (DC) Động cơ DC KM-3448A Giá thành hợp lý, dễ điều khiển, tích hợp sẵn hộp giảm tốc 50:1 cho mô-men xoắn lớn.
Bộ truyền dẫn động Bánh răng, xích, trục vít, vít me, đai Bộ truyền đai Làm việc êm, có tính đàn hồi giảm dao động tải, kết cấu đơn giản, trượt trơn bảo vệ quá tải.
Cơ cấu tay máy Động cơ điện, xilanh khí nén Xilanh khí nén tác động kép Chịu quá tải tốt, chuyển động êm ái, tuổi thọ cao, kết cấu nhẹ nhàng.
Cảm biến nhận diện Cảm biến điện dung, cảm biến tiệm cận, cảm biến quang Cảm biến quang E3F-DS10C4 Phát hiện không tiếp xúc, khoảng cách phát hiện 10 cm, tốc độ đáp ứng nhanh, độ bền cao.
Bộ điều khiển Mạch vi điều khiển, PLC PLC Siemens S7-200 CPU 224 Độ tin cậy công nghiệp, chống nhiễu tốt, dễ lập trình và mở rộng I/O, lưu dữ liệu 190 giờ khi mất điện.

Chương này cũng xác định các thiết bị phụ trợ đi kèm:

  • Rơle trung gian OMRON 8 chân (cuộn hút 24VDC) làm tầng đệm công suất.
  • Van đảo chiều khí nén 5/2 (1 cửa cấp khí, 2 cửa làm việc, 2 cửa xả) tác động bằng điện từ.
  • Van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng dòng khí nhằm ổn định tốc độ chuyển động của xilanh.
  • Công tắc hành trình cơ học giới hạn phạm vi dịch chuyển và phản hồi trạng thái vị trí.
  • Cơ cấu khung cơ khí tay máy trượt trên 2 thanh ray bi dẫn hướng (1 ray tịnh tiến đứng, 1 ray tịnh tiến ngang).

Chương 3. Tính toán thiết kế hệ thống

Nội dung chương 3 tập trung giải quyết các bài toán tính toán cơ - điện định lượng:

  • Tính toán bộ truyền đai dẫn động:

    • Đường kính bánh dẫn $d_1 = 10\text{ mm}$, bánh bị dẫn $d_2 = 20\text{ mm}$.
    • Khoảng cách trục $a = 50\text{ mm}$.
    • Tốc độ định mức động cơ $n_{dc} = 220\text{ vòng/phút}$.
    • Tỷ số truyền $i = \frac{d_1}{d_2} = 0{,}5$.
    • Số vòng quay trục băng chuyền: $n = 0{,}75\text{ vòng/s}$.

  • Tính toán động học và động lực học băng tải:

    • Khoảng cách 2 trục tang băng tải $a = 460\text{ mm}$, bề rộng đai $B = 55\text{ mm}$ (bề rộng sản phẩm $B_{sp} = 21\text{ mm}$).
    • Trọng lượng sản phẩm trung bình trên băng tải tạo áp lực lên mặt trượt: $P = N = 0{,}49\text{ N}$.
    • Điều kiện cân bằng lực: $\vec{P} + \vec{N} + \vec{F}{ms} + \vec{F}{kéo} = 0$.
    • Vận tốc di chuyển của băng tải đạt $V = 0{,}12\text{ m/s}$.

  • Tính toán thông số các xilanh khí nén của tay máy:

    • Xilanh 1 (Xoay quanh trục tay máy): Hành trình $L = 100\text{ mm}$, áp suất làm việc $p = 1\text{ atm}$, dung tích $V = 32.169\text{ mm}^3$, vận tốc dòng khí $V_{khí} = 0{,}87\text{ m/s}$.
    • Xilanh 2 (Nâng - hạ tay máy theo phương thẳng đứng): Hành trình $L = 100\text{ mm}$, áp suất làm việc $p = 1\text{ atm}$, dung tích $V = 32.169\text{ mm}^3$, vận tốc dòng khí $V_{khí} = 0{,}87\text{ m/s}$.
    • Xilanh 3 (Thò - thụt cánh tay theo phương ngang): Hành trình $L = 75\text{ mm}$, áp suất làm việc $p = 1\text{ atm}$, dung tích $V = 26.138\text{ mm}^3$, vận tốc dòng khí $V_{khí} = 0{,}87\text{ m/s}$.
    • Xilanh 4 (Cơ cấu kẹp - nhả sản phẩm): Chiều dài thân $d = 90\text{ mm}$, hành trình $L = 50\text{ mm}$, áp suất làm việc $p = 0{,}5\text{ atm}$, dung tích $V = 7.068\text{ mm}^3$, vận tốc dòng khí $V_{khí} = 1{,}74\text{ m/s}$.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển được thiết kế theo cấu trúc điều khiển phân tầng với bộ xử lý trung tâm PLC Siemens S7-200 CPU 224:

[Khối Cảm biến quang & Nút nhấn] ---> [Khối Đầu vào (Input) PLC]
                                                |
                                      [CPU 224 Xử lý logic]
                                                |
[Động cơ DC, Van 5/2, Khí nén]   <--- [Rơle trung gian] <--- [Khối Đầu ra (Output) PLC]

1. Kiến trúc điều khiển và thiết bị phần cứng

  • Khối xử lý trung tâm: PLC S7-200 CPU 224 tích hợp 14 ngõ vào số (DI) và 10 ngõ ra số (DO), tốc độ xử lý lệnh Boole $0{,}37\ \mu\text{s}$, bộ nhớ chương trình 4096 words, bộ nhớ dữ liệu 2560 words loại EEPROM.
  • Khối chấp hành:
    • Động cơ DC KM-3448A điện áp 24VDC, mô-men cực đại $7\text{ kg}\cdot\text{cm}$ (hoặc đơn vị định mức tương đương), trục $6\text{ mm}$, tích hợp tỷ số truyền 50:1.
    • Hệ thống 4 cụm xilanh khí nén điều khiển qua các cụm van điện từ đảo chiều 5/2 dùng điện áp cuộn hút 24VDC.
  • Khối cảm biến và chấp hành tín hiệu:
    • Cụm cảm biến quang E3F-DS10C4 (3 dây: Nâu - cấp nguồn dương, Xanh - cấp nguồn âm, Đen - tín hiệu ngõ ra) bố trí tại các vị trí kiểm tra chiều cao trên băng tải.
    • Hệ thống công tắc hành trình báo điểm dừng của các trục chuyển động.

2. Nguyên lý vận hành và điều khiển logic

Hệ thống vận hành theo quy trình tự động tuần tự được mô tả qua lưu đồ Grafcet:

  1. Nhấn nút khởi động (Start), động cơ băng tải chạy kéo sản phẩm di chuyển.
  2. Khi sản phẩm đi qua cụm cảm biến quang:
    • Nếu sản phẩm mức Cao: Cảm biến tương ứng kích hoạt, băng tải dừng hoặc chuyển tín hiệu đến bộ đếm; tay máy thực hiện chu trình xoay, hạ, kẹp sản phẩm, nâng lên và đưa về ngăn chứa sản phẩm cao.
    • Nếu sản phẩm mức Trung bình hoặc Thấp: Hệ thống nhận diện qua trạng thái logic của các cảm biến quang đặt ở các cao độ khác nhau để thực hiện chu trình gắp đặt vào ngăn chứa tương ứng.
  3. Cơ cấu tay máy hoạt động tuần tự nhờ sự phối hợp giữa xilanh tịnh tiến đứng (nâng/hạ), xilanh tịnh tiến ngang (vào/ra), xilanh xoay và xilanh kẹp. Các công tắc hành trình xác nhận hoàn thành từng bước chuyển động trước khi chuyển sang bước tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Xây dựng hoàn chỉnh bản vẽ thiết kế và mô hình tính toán cơ - điện cho hệ thống phân loại sản phẩm kết hợp tay máy 3 bậc tự do.
  • Xác lập đầy đủ các thông số động học của băng chuyền với vận tốc ổn định $0{,}12\text{ m/s}$, khoảng cách trục $460\text{ mm}$.
  • Tính toán chính xác thông số áp suất ($0{,}5 - 1\text{ atm}$), lưu lượng và dung tích làm việc cho 4 cơ cấu xilanh khí nén của cánh tay robot và khâu kẹp.
  • Thiết lập sơ đồ đấu nối điện đồng bộ nguồn 24VDC giữa PLC S7-200, hệ thống cảm biến quang E3F-DS10C4, rơle trung gian OMRON và các van điện từ 5/2.

2. Đóng góp của đề tài

  • Đưa ra giải pháp công nghệ phân loại sản phẩm tự động có chi phí chế tạo thấp, phù hợp với điều kiện ứng dụng tại các cơ sở sản xuất và doanh nghiệp vừa và nhỏ.
  • Tích hợp thành công nguyên lý điều khiển PLC vào việc phối hợp nhịp nhàng giữa chuyển động băng tải và tay máy gắp 3 bậc tự do, giảm thiểu tối đa sự can thiệp của nhân công trong khâu phân loại.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:

    • Đề tài dừng lại ở quy mô thiết kế và mô phỏng thực nghiệm trên mô hình dạy học/nghiên cứu, chưa tiến hành thử nghiệm tải trọng lớn trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt.
    • Hệ thống sử dụng cảm biến quang phát hiện ngưỡng chiều cao cố định, việc thay đổi dải kích thước sản phẩm đòi hỏi phải căn chỉnh lại vị trí cơ khí của cảm biến.
    • Sử dụng xilanh khí nén cho các chuyển động tịnh tiến có độ trễ nhất định và phụ thuộc vào sự ổn định của áp suất nguồn cấp khí.

  • Hướng nghiên cứu tiếp:

    • Nâng cấp hệ thống nhận dạng kích thước bằng việc tích hợp cảm biến xử lý ảnh công nghiệp (Machine Vision) để nhận diện đa dạng mẫu mã và biên dạng hình học.
    • Thay thế hoặc kết hợp các khớp truyền động bằng động cơ Servo/Step điều khiển vị trí chính xác cao thay cho xilanh khí nén tại các trục đòi hỏi nội suy quỹ đạo phức tạp.
    • Mở rộng kết nối mạng truyền thông công nghiệp (như Profibus, Ethernet) và giao diện giám sát SCADA/HMI để thu thập dữ liệu và quản lý sản xuất từ xa.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật thực tiễn cho:

  • Sinh viên ngành Điện tự động công nghiệp, Cơ điện tử, Kỹ thuật điều khiển: Nắm bắt phương pháp tính toán thiết kế cơ cấu chấp hành khí nén, lựa chọn thiết bị điện công nghiệp và kỹ thuật lập trình PLC S7-200.
  • Kỹ sư thiết kế dây chuyền đóng gói, phân loại: Tham khảo cấu trúc phối hợp giữa băng tải và tay máy phân loại sản phẩm theo kích thước cơ bản.
  • Nội dung nổi bật đáng tham khảo: Phương pháp tính toán dung tích xilanh theo phương trình trạng thái khí lý tưởng và phương pháp phân bổ vào/ra logic điều khiển van 5/2 qua relay trung gian.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng loại PLC nào và các thông số phần cứng cơ bản ra sao? Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-200 CPU 224. Thông số phần cứng gồm: 14 ngõ vào số, 10 ngõ ra số, bộ nhớ chương trình 4096 words, bộ nhớ dữ liệu 2560 words (EEPROM), tốc độ xử lý lệnh Boole $0{,}37\ \mu\text{s}$, tích hợp 256 bộ định thời (timer), 256 bộ đếm (counter), 6 bộ đếm tốc độ cao 20kHz và lưu trữ dữ liệu không mất điện trong 190 giờ.

2. Động cơ dẫn động băng tải được lựa chọn trong đề tài là loại gì? Đề tài lựa chọn động cơ điện một chiều (DC) mã hiệu KM-3448A, sử dụng nguồn điện 24VDC, đường kính trục $6\text{ mm}$, tích hợp sẵn bộ giảm tốc bên trong với tỷ số truyền 50:1 và mô-men xoắn cực đại đạt $7\text{ kg}\cdot\text{cm}$ (theo thông số chế tạo).

3. Cơ cấu tay máy gắp sản phẩm sử dụng nguyên lý truyền động nào? Tay máy sử dụng truyền động khí nén với 4 cụm xilanh tác động kép: xilanh 1 điều khiển xoay quanh trục (hành trình $100\text{ mm}$), xilanh 2 điều khiển nâng/hạ thẳng đứng (hành trình $100\text{ mm}$), xilanh 3 điều khiển thò/thụt ngang (hành trình $75\text{ mm}$) và xilanh 4 kẹp/nhả sản phẩm (hành trình $50\text{ mm}$). Dòng khí được phân phối qua các van đảo chiều 5/2.

4. Vận tốc làm việc của băng tải được tính toán đạt bao nhiêu? Dựa trên tính toán tỷ số truyền bộ truyền đai ($i = 0{,}5$) và tốc độ quay trên các trục tang ($a = 460\text{ mm}$, $n = 0{,}75\text{ vòng/s}$), vận tốc chuyển động của băng tải được xác định là $V = 0{,}12\text{ m/s}$.

5. Cảm biến nào được ứng dụng để phát hiện và phân loại sản phẩm? Đề tài sử dụng cảm biến quang phản xạ khuếch tán mã hiệu E3F-DS10C4 hoạt động ở dải điện áp $10 - 30\text{VDC}$, kết nối bằng 3 dây (Nâu, Xanh, Đen) với khoảng cách phát hiện vật thể danh định $L = 10\text{ cm}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế mô hình mô phỏng tay máy 3 bậc tự do sử dụng trong dây truyền phân loại sản phẩm" của sinh viên Vũ Bá Đạt đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế tích hợp cơ - điện - khí nén phục vụ phân loại tự động 3 cấp chiều cao sản phẩm. Đề tài đã xây dựng cơ sở tính toán định lượng chuẩn xác từ bộ truyền đai, băng tải cho đến các xilanh khí nén tay máy và hệ thống điều khiển PLC S7-200. Kết quả nghiên cứu thể hiện tính khả thi cao trong việc ứng dụng vào các mô hình sản xuất quy mô vừa và nhỏ nhằm nâng cao năng suất và thay thế lao động thủ công.