Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong dây chuyền sản xuất công nghiệp hiện đại, các khâu quản lý, phân loại và đóng gói sản phẩm giữ vai trò then chốt trong việc bảo đảm tiến độ lưu thông hàng hóa cũng như duy trì tính ổn định của chuỗi cung ứng. Việc ứng dụng công nghệ nhận dạng mã phản hồi nhanh (mã QR - Quick Response) kết hợp với các cơ cấu chấp hành tự động đang trở thành xu hướng nhằm giảm thiểu sai sót trong khâu nhập liệu, nâng cao tính minh bạch dữ liệu và giảm bớt sự can thiệp thủ công từ con người. Xuất phát từ bối cảnh thực tiễn đó, đề tài đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, thi công mô hình phân loại sản phẩm theo mã QR và đóng thùng" do sinh viên Nguyễn Hoàng Minh Tiến và Huỳnh Thanh Duy thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Phong Lưu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã tập trung giải quyết bài toán tích hợp giữa thị giác máy tính và hệ thống điều khiển tự động hóa cơ khí - khí nén.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Thiết kế và thi công hoàn chỉnh phần cứng mô hình hệ thống tích hợp khâu phân loại sản phẩm theo mã QR và khâu đóng thùng carton tự động.
  2. Thiết kế và lập trình giao diện giám sát trên máy tính (PC) nhằm thu nhận hình ảnh từ camera, giải mã QR và gửi dữ liệu điều khiển xuống bộ điều khiển khả trình (PLC).
  3. Lập trình điều khiển toàn bộ trình tự hoạt động của các cơ cấu chấp hành (băng tải, cánh tay xylanh khí nén, cơ cấu gập nắp và dán băng keo).
  4. Đạt các chỉ tiêu kỹ thuật định lượng về năng suất vận hành mô hình:
    • Khâu phân loại sản phẩm: đạt năng suất thiết kế 400 sản phẩm/giờ.
    • Khâu đóng gói sản phẩm: đạt năng suất thiết kế 200 thùng/giờ.
    • Cơ cấu gắp sản phẩm: đạt năng suất thiết kế 500 sản phẩm/giờ.
    • Chất lượng đóng gói: đường băng keo dán thùng kín, phẳng, hạn chế tối đa vết nhăn và bọt khí.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi dòng FX1S-30MT, phần mềm lập trình điều khiển GX Works2, môi trường phát triển giao diện Visual Studio (ngôn ngữ C#), các cơ cấu truyền động điện - khí nén và công nghệ xử lý ảnh giải mã QR.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế và thi công mô hình thử nghiệm tại xưởng thực hành, sử dụng thùng carton và các khối sản phẩm mẫu có dán mã QR với kích thước và khối lượng được chuẩn hóa trước.
  • Giới hạn đề tài: Hệ thống vận hành trên các mẫu sản phẩm và thùng do nhóm chuẩn bị sẵn; bắt buộc duy trì kết nối truyền thông liên tục giữa PC và PLC; mô hình được chế tạo ở quy mô thử nghiệm phòng thí nghiệm; hệ thống chưa tích hợp chức năng nhận diện tự động đối với các sản phẩm thiếu mã QR.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài được xây dựng trên nền tảng kỹ thuật điều khiển tự động hóa, kỹ thuật thị giác máy tính và đặc tính cơ học của vật liệu đóng gói bao bì carton:

  • Công nghệ mã QR và xử lý ảnh: Mã QR (được phát triển bởi Denso Wave năm 1994) bao gồm các thành phần cấu trúc định vị như Finder Pattern, Alignment Pattern, Timing Pattern và vùng Format Information chứa mã sửa lỗi Reed-Solomon. Quy trình xử lý ảnh trên máy tính bao gồm các giai đoạn: thu nhận ảnh từ camera, tiền xử lý (lọc trung bình, lọc Gaussian, lọc trung vị), chuyển đổi không gian màu (RGB, HSV, YCbCr), phát hiện biên cạnh (toán tử Sobel, thuật toán Canny), phân đoạn ngưỡng (Thresholding) và giải mã dữ liệu nhị phân.
  • Môi trường phát triển và thư viện phần mềm: Giao diện điều khiển và giám sát được xây dựng trên nền tảng .NET Framework (ngôn ngữ C#) thông qua Visual Studio. Thư viện AForge.NET được ứng dụng để kết nối thiết bị ghi hình và xử lý luồng dữ liệu video; thư viện mã nguồn mở ZXing (Zebra Crossing) được tích hợp để định vị và trích xuất chuỗi ký tự từ mã QR.
  • Hệ thống điều khiển PLC và truyền thông công nghiệp: Khối điều khiển trung tâm sử dụng PLC Mitsubishi FX1S-30MT hoạt động theo chu kỳ quét logic (đọc ngõ vào, thực thi chương trình Ladder Logic, cập nhật ngõ ra). Quá trình trao đổi dữ liệu giữa máy tính giám sát (PC) và PLC được thực hiện thông qua giao thức truyền thông nối tiếp nối với cổng lập trình của PLC.
  • Vật liệu và cấu trúc bao bì: Phân tích đặc tính chịu lực và độ đàn hồi của các loại sóng giấy carton công nghiệp bao gồm sóng A (độ cao 4,7 mm), sóng B (2,5 mm), sóng C (3,5 – 4,5 mm) và sóng E (1,5 mm).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa khảo sát tài liệu kỹ thuật, phân tích đánh giá các dòng máy đóng gói thương mại (FXJ-6050, Chali CX3, MK-AS523S, Siat S26), tính toán thiết kế mô hình 3D trên phần mềm Solidworks, thi công cơ - điện và tiến hành thực nghiệm đánh giá thông số vận hành thực tế.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được tính toán và thiết kế dựa trên quy chuẩn kích thước hình học của mẫu thùng carton và mẫu sản phẩm phân loại:

Thông số kỹ thuật Kích thước thùng carton Kích thước sản phẩm mẫu
Chiều dài ($a$) 150 mm – 250 mm 60 mm – 90 mm
Chiều rộng ($b$) 80 mm – 120 mm 60 mm – 90 mm
Chiều cao ($c$) 80 mm – 120 mm 30 mm – 45 mm
Khối lượng 2000 g – 5000 g 10 g – 200 g

Trong quá trình thiết kế, các phương án kỹ thuật đã được phân tích và lựa chọn:

  • Cơ cấu đóng và dán thùng: Nhóm nghiên cứu tiến hành đánh giá 4 phương án cơ cấu. Phương án 1 (sử dụng băng tải đẩy đáy kết hợp cụm thanh gập nắp cơ khí, xylanh xoay gập nắp sau, con lăn miết keo đàn hồi bằng lò xo và cụm xylanh cắt băng keo tự động) được lựa chọn nhờ cấu trúc tối ưu, chi phí thi công hợp lý và khả năng quan sát trực quan toàn bộ chu trình gập nắp.
  • Cơ cấu gắp sản phẩm: Đánh giá giữa phương án cánh tay khí nén thuần túy (Phương án 1) và phương án khí nén kết hợp trục vít me điều khiển bằng động cơ bước (Phương án 2). Nhóm quyết định lựa chọn Phương án 1 (cụm cánh tay 4 xylanh khí nén gồm xylanh hạ, xylanh đẩy ngang, xylanh dịch chuyển tầng và xylanh kẹp chéo) do đáp ứng đủ yêu cầu xếp 2 sản phẩm/tầng, giảm độ phức tạp trong điều khiển và tối ưu hóa chi phí thiết bị.

Hệ thống phần cứng được tích hợp từ các thành phần công nghiệp:

  • Bộ điều khiển logic khả trình: PLC Mitsubishi FX1S-30MT (ngõ ra Transistor tốc độ cao).
  • Cảm biến phát hiện: Cảm biến quang tiệm cận Omron E3F-DS30C4 (ngõ ra NPN, tiếp điểm thường mở NO).
  • Cơ cấu chấp hành và đóng cắt: Động cơ giảm tốc DC hãng Tsukasa kéo băng tải, hệ thống van điện từ khí nén 5/2 Xingchen, rơ-le trung gian Omron MY2N-J (cuộn hút 24VDC), bộ nguồn tổ ong chuyển đổi 220VAC sang 24VDC.
  • Thiết bị an toàn và điều khiển cục bộ: Cụm nút nhấn Start, Stop (LA38-11BN) và nút dừng khẩn cấp Emergency Stop (LAY37-11ZS).

Kiến trúc điều khiển và luồng phần mềm:

  • Cảm biến quang đặt tại đầu băng tải phân loại phát hiện sản phẩm đi vào vị trí quét, gửi tín hiệu kích hoạt về PLC.
  • PLC phát tín hiệu đồng bộ lên phần mềm C# trên máy tính; giao diện kích hoạt camera chụp khung hình, sử dụng thư viện AForge.NET và ZXing để giải mã chuỗi ký tự QR.
  • Phần mềm phân tích loại sản phẩm và truyền mã phân loại ngược lại PLC qua cổng truyền thông nối tiếp.
  • PLC điều phối động cơ băng tải và kích hoạt chu trình tuần tự của cụm 4 xylanh khí nén để gắp sản phẩm đưa vào thùng carton. Khi số lượng sản phẩm trong thùng đạt giá trị đặt, băng tải khâu đóng gói chuyển thùng qua cụm cơ cấu cơ khí để gập 4 nắp và dán kín bề mặt bằng băng dính.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương này trình bày lý do lựa chọn đề tài, tính cấp thiết của việc tự động hóa khâu phân loại và đóng bao bì trong sản xuất công nghiệp. Tác giả xác định mục tiêu nghiên cứu, các chỉ tiêu định lượng cần đạt (năng suất phân loại 400 SP/h, đóng gói 200 thùng/h, gắp sản phẩm 500 SP/h), đồng thời vạch rõ đối tượng, phạm vi nghiên cứu và giới hạn thực nghiệm của mô hình.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tác giả tổng hợp cơ sở lý luận về cấu trúc mã QR (Finder Pattern, Alignment Pattern, Timing Pattern, thuật toán Reed-Solomon) và quy trình xử lý ảnh kỹ thuật số (không gian màu, bộ lọc nhiễu, biến đổi Fourier, giải thuật phát hiện biên Canny/Sobel). Chương này cũng trình bày nguyên lý lập trình C# trên Visual Studio, tích hợp thư viện AForge.NET và ZXing; khảo sát cấu tạo, thông số kỹ thuật của 4 mẫu máy dán thùng công nghiệp thực tế (FXJ-6050, CX3, MK-AS523S, S26 Range); phân tích cấu trúc, tập lệnh điều khiển PLC Mitsubishi FX1S, các giao thức truyền thông công nghiệp (RS-232, RS-485, Modbus, Ethernet/IP) và đặc tính kỹ thuật của các loại sóng giấy carton (sóng A, B, C, E).

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Tác giả xác định các yêu cầu kỹ thuật và bảng kích thước tiêu chuẩn của sản phẩm và thùng carton. Chương này thực hiện phân tích, so sánh chi tiết ưu nhược điểm của 4 phương án dán thùng và 2 phương án cơ cấu gắp sản phẩm bằng khí nén để lựa chọn phương án tối ưu. Nội dung chương trình bày sơ đồ khối toàn hệ thống, mô hình thiết kế 3D hoàn chỉnh trên Solidworks, tính toán chọn lựa linh kiện (PLC FX1S-30MT, cảm biến quang E3F-DS30C4, động cơ Tsukasa, van khí nén Xingchen 5/2, relay Omron MY2N-J), xây dựng lưu đồ giải thuật chương trình chính, lưu đồ chương trình con phân loại/đóng gói và thiết kế giao diện giám sát Windows Forms.

CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG

Trình bày quy trình chế tạo cơ khí thực tế (khung nhôm định hình, hệ thống con lăn, băng tải, cánh tay xylanh khí nén, cụm dán miết băng keo), quy trình đấu nối bảng điện điều khiển và các thiết bị nút nhấn, rơ-le. Phần thi công phần mềm mô tả chi tiết việc xây dựng các Form giao diện trong Visual Studio (Trang chủ, Giám sát, Hướng dẫn), tích hợp các đoạn mã điều khiển kết nối camera, quét giải mã QR từ luồng hình ảnh và thiết lập kết nối truyền nhận dữ liệu với PLC Mitsubishi.

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN

Báo cáo kết quả hoàn thiện phần cứng mô hình cơ khí, bảng điện điều khiển và giao diện phần mềm giám sát. Tác giả trình bày dữ liệu thử nghiệm thực tế đối với từng khâu: độ chính xác của thị giác máy khi đọc mã QR, tính ổn định của cơ cấu gắp 4 xylanh khí nén và chất lượng dán thùng carton thực tế.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu so với các mục tiêu đề ra ban đầu; chỉ rõ các điểm còn hạn chế của mô hình và đề xuất các giải pháp kỹ thuật mở rộng nhằm nâng cao tính linh hoạt và mức độ tự động hóa trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm của đề tài được ghi nhận qua quá trình vận hành hệ thống:

  • Chế tạo thành công mô hình tích hợp hoàn chỉnh bao gồm 2 cụm băng tải (phân loại và đóng gói), cụm gắp sản phẩm khí nén 4 bậc tự do và cụm cơ cấu gập nắp - dán băng keo.
  • Xây dựng giao diện phần mềm giám sát trên máy tính hiển thị trực tiếp luồng video từ camera, nhận diện và bóc tách dữ liệu mã QR ổn định, truyền thông tin điều khiển 2 chiều với PLC FX1S-30MT theo thời gian thực.
  • Thử nghiệm cơ cấu dán thùng cho kết quả đường dán nẹp giữa thùng carton thẳng, bề mặt băng dính được miết phẳng, hạn chế hiện tượng rách nắp hoặc tạo bọt khí nhờ lực ép đàn hồi từ cụm con lăn gắn lò xo.
  • Đóng góp kỹ thuật: Đề tài đã xây dựng thành công giải pháp kết hợp giữa thị giác máy tính trên nền tảng PC và bộ điều khiển logic khả trình PLC cấp công nghiệp, cung cấp một quy trình thực nghiệm đồng bộ từ khâu nhận dạng quang học đến khâu điều khiển cơ khí - khí nén liên tục.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được chỉ ra từ quá trình thực nghiệm mô hình:

  • Mô hình chế tạo ở quy mô thử nghiệm học thuật, chưa tối ưu hóa kích thước cho môi trường công nghiệp nặng.
  • Hệ thống bắt buộc phải duy trì máy tính kết nối liên tục để thực hiện thuật toán xử lý ảnh, chưa sử dụng camera thông minh (Smart Camera) xử lý độc lập tại trạm.
  • Chưa có cơ chế nhận diện và loại bỏ tự động đối với các sản phẩm lỗi không dán mã QR hoặc mã QR bị trầy xước không giải mã được.
  • Cơ cấu gắp sử dụng cụm xylanh cố định hành trình làm giới hạn số lượng sản phẩm sắp xếp trong mỗi thùng (tối đa 2 sản phẩm/tầng).

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

  • Nâng cấp cơ cấu gắp sản phẩm sang dạng cánh tay robot công nghiệp (Robot Delta hoặc Scara) hoặc trục vít me kết hợp động cơ Servo/Step nhằm linh hoạt số lượng và quy cách sắp xếp sản phẩm trong thùng.
  • Ứng dụng các dòng Smart Camera chuyên dụng trong công nghiệp có khả năng giải mã trực tiếp và xuất tín hiệu ngõ ra sang PLC mà không cần qua máy tính trung gian.
  • Bổ sung cảm biến và nhánh băng tải phân luồng để tự động loại bỏ các sản phẩm không đạt chuẩn chất lượng hoặc không có mã nhận diện.

Giá trị tham khảo

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

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử khi thực hiện các đề tài về tích hợp PLC với phần mềm máy tính.
  • Các nhóm nghiên cứu cần tài liệu tham khảo chi tiết về sơ đồ khối, giải thuật truyền thông PC - PLC qua C# WinForms, lập trình xử lý ảnh với thư viện AForge.NET, ZXing và nguyên lý thiết kế cơ cấu dán thùng carton tự động trên Solidworks.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển trung tâm và phần mềm lập trình nào được sử dụng trong hệ thống?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi FX1S-30MT, lập trình thông qua phần mềm GX Works2. Phần mềm giám sát và xử lý ảnh trên máy tính được viết bằng ngôn ngữ C# trên môi trường Microsoft Visual Studio.

2. Các thư viện nào được nhúng vào chương trình C# để xử lý camera và giải mã QR?
Chương trình sử dụng thư viện AForge.NET để kết nối, quản lý thiết bị camera và hiển thị luồng ảnh trực tiếp lên giao diện người dùng; thư viện ZXing (.NET port) được sử dụng để định vị, phân tích và trích xuất dữ liệu từ mã QR.

3. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn Phương án 1 cho cơ cấu dán thùng carton?
Phương án 1 (sử dụng băng tải đẩy đáy, thanh gập nắp cơ khí, xylanh xoay gập nắp sau, con lăn ép keo bằng lò xo và xylanh cắt băng dính) được lựa chọn do có kết cấu đơn giản, chi phí chế tạo thấp, băng keo hai bên thành thùng được ép chặt và trực quan giúp dễ quan sát toàn bộ quá trình vận hành.

4. Kích thước và khối lượng của thùng carton và sản phẩm mẫu trong hệ thống là bao nhiêu?
Thùng carton có kích thước chiều dài 150–250 mm, chiều rộng 80–120 mm, chiều cao 80–120 mm, khối lượng 2000–5000 g. Sản phẩm mẫu có kích thước chiều dài 60–90 mm, chiều rộng 60–90 mm, chiều cao 30–45 mm, khối lượng 10–200 g.

5. Các loại cảm biến và khí nén chính được lắp đặt trong mô hình là gì?
Hệ thống sử dụng cảm biến quang tiệm cận Omron E3F-DS30C4 để phát hiện vật thể, hệ thống van điện từ khí nén 5/2 Xingchen, rơ-le Omron MY2N-J 24VDC và các xylanh khí nén thực hiện chuyển động tịnh tiến cùng xylanh kẹp chéo để giữ sản phẩm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Hoàng Minh Tiến và Huỳnh Thanh Duy đã hoàn thành việc thiết kế, chế tạo và vận hành thử nghiệm mô hình phân loại sản phẩm theo mã QR kết hợp đóng thùng tự động. Công trình đã hiện thực hóa thành công giải pháp kết nối giữa thị giác máy tính trên nền C# và bộ điều khiển công nghiệp PLC Mitsubishi FX1S-30MT để điều khiển đồng bộ hệ thống băng tải, cánh tay khí nén và cụm dán thùng carton. Mặc dù còn một số giới hạn về mặt mở rộng kích thước thùng và sự phụ thuộc vào máy tính xử lý, kết quả nghiên cứu đã cung cấp đầy đủ cơ sở tính toán, bản vẽ kỹ thuật và lưu đồ giải thuật cho việc ứng dụng công nghệ nhận dạng mã QR vào các dây chuyền đóng gói tự động hóa.