Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0, công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa giữ vai trò trọng yếu trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao tính đồng bộ và giảm thiểu các rủi ro do thao tác thủ công của con người gây ra. Tại các nhà xưởng, trung tâm logistics và xí nghiệp hiện đại, khâu bốc dỡ hàng hóa, xếp thùng lên pallet (palletizing) và lưu kho (warehousing) là mắt xích vận hành quan trọng, đòi hỏi sự chính xác cao để tiết kiệm diện tích lưu trữ, tối ưu hóa chi phí vận chuyển và bảo vệ an toàn cho hàng hóa khỏi va chạm hay nghiền ép.

Theo phân tích của nhóm tác giả, các phương pháp xếp hàng lên pallet phổ biến hiện nay bao gồm:

  • Xếp hình khối (Block Stacking): Xếp các thùng hàng chồng lên nhau theo hàng ngang và dọc, đòi hỏi thùng hàng phải có khả năng chịu lực nén cao.
  • Xếp xen kẽ (Brick Stacking): Sắp xếp các thùng hàng so le như kỹ thuật xây gạch, giúp gia tăng liên kết cơ học và độ ổn định của khối hàng.
  • Xếp hình kim tự tháp (Pyramid Stacking): Thu hẹp dần số lượng thùng ở các tầng trên, phù hợp cho các kiện hàng số lượng ít hoặc cần độ thăng bằng đặc biệt.

Bên cạnh đó, các nguyên tắc bắt buộc khi xếp dỡ là phân bổ trọng lượng đồng đều, đặt kiện hàng nặng ở tầng dưới cùng và sử dụng màng co hoặc dây đai để cố định kiện hàng trước khi đưa vào kho bảo quản. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó, khóa luận lựa chọn đề tài nghiên cứu nhằm xây dựng một mô hình tích hợp đồng bộ chu trình: tiếp nhận thùng hàng từ băng tải, gắp xếp lên pallet theo tọa độ định vị, quấn màng co cố định tự động và vận chuyển lưu trữ vào hệ thống kệ kho.

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của đề tài là thiết kế, chế tạo và vận hành thành công mô hình xếp hàng lên pallet và lưu kho hoạt động ổn định, chính xác, có khả năng điều khiển và giám sát các thông số hoạt động trực quan thông qua màn hình HMI.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định theo 6 bước:

  1. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của động cơ bước, cách thức cài đặt thông số và điều khiển vị trí thông qua bộ điều khiển Driver.
  2. Tính toán và thiết kế kết cấu cơ khí 3D cho toàn bộ mô hình trên phần mềm SolidWorks, sau đó tiến hành gia công, lắp ráp và căn chỉnh phần cứng.
  3. Xây dựng thuật toán điều khiển và lập trình điều khiển logic cho PLC, bao gồm thuật toán phát xung điều khiển vị trí nhiều trục độc lập.
  4. Thiết kế giao diện vận hành, giám sát và cảnh báo trên màn hình HMI Weintek với hai chế độ Auto (Tự động) và Manual (Thủ công).
  5. Thiết lập mạng truyền thông công nghiệp để kết nối truyền dữ liệu giữa hai bộ điều khiển PLC và truyền dữ liệu lên màn hình HMI.
  6. Chạy thử nghiệm thực tế toàn bộ hệ thống, phân tích các sai lệch động học, hiệu chỉnh tham số và rút ra đánh giá kết luận.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cơ điện tử tích hợp gồm cánh tay bốc xếp 3 trục tọa độ Cartesius kết hợp giác hút chân không, cơ cấu quấn màng co xoay có gia nhiệt cắt màng, cơ cấu nâng chuyển lưu kho 3 trục, hệ thống cảm biến công nghiệp và bộ điều khiển khả trình PLC kết nối HMI.
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Bộ môn Tự động hóa, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được thực hiện từ tháng 02/2024 đến tháng 06/2024.
  • Giới hạn nghiên cứu: Giới hạn ở việc thiết kế mô hình quy mô phòng thí nghiệm (bàn nâng, kệ chứa mẫu, băng chuyền mini), sử dụng board vi xử lý tương thích dòng PLC Mitsubishi FX3U nhằm giải quyết bài toán phát xung đa trục trong khuôn khổ kinh phí và thời gian đào tạo bậc đại học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng hệ thống luận cứ kỹ thuật dựa trên các nền tảng lý thuyết điều khiển tự động và kỹ thuật cơ điện tử công nghiệp:

  • Lý thuyết hệ thống xếp pallet tự động: Nghiên cứu cấu trúc và nguyên lý vận hành của các phân loại palletizer chính trong công nghiệp gồm palletizer tầng thấp (Low-Level Palletizer), palletizer tầng cao (High-Level Palletizer) và palletizer sử dụng cánh tay robot (Robotic Palletizer).
  • Lý thuyết điều khiển lập trình PLC: Tổng quan cấu trúc phần cứng, nguyên lý quét chu kỳ (scan cycle) và các dòng PLC tiêu biểu của Mitsubishi Electric (MELSEC-Q, MELSEC-L, MELSEC-FX, MELSEC iQ-R, MELSEC iQ-F). Nhóm tác giả lựa chọn dòng MELSEC-FX do phù hợp với các ứng dụng điều khiển nhỏ gọn, tích hợp sẵn các kênh phát xung tốc độ cao và cổng truyền thông nối tiếp. Các ngôn ngữ lập trình được tổng hợp gồm: Ladder Logic (LD), Function Block Diagram (FBD), Structured Text (ST), Instruction List (IL), Sequential Function Chart (SFC) và Continuous Function Chart (CFC).
  • Chuẩn truyền thông công nghiệp:
    • Chuẩn RS232: Giao tiếp điểm - điểm (Point-to-Point) hoạt động theo mức chênh lệch điện áp với các chân tín hiệu TxD (chân 3), RxD (chân 2), SG (chân 5), RTS (chân 7), CTS (chân 8)... Khoảng cách truyền dẫn giới hạn trong phạm vi 15 m.
    • Chuẩn RS485 và giao thức Modbus RTU: Phương thức truyền thông vi sai đường truyền cân bằng trên cặp dây xoắn, cho phép kết nối tối đa 32 thiết bị trên một mạng bus với cự ly truyền dẫn lên đến 1200 m; nghiên cứu hai cấu hình mạng gồm cấu hình 2 dây (bán song công - Half Duplex) và 4 dây (song công toàn phần - Full Duplex).
  • Lý thuyết động cơ bước (Stepper Motor): Phân tích cấu tạo rotor nam châm vĩnh cửu đa cực và stato sắt từ rãnh quấn cuộn dây; so sánh 4 phương pháp kích từ điều khiển động cơ bước: điều khiển dạng sóng (Wave), điều khiển bước đủ (Full Step), điều khiển nửa bước (Half Step) và điều khiển vi bước (Microstep) nhằm triệt tiêu dao động cộng hưởng cơ học và gia tăng độ phân giải dịch chuyển góc.
  • Lý thuyết cơ cấu chấp hành khí nén: Dựa trên định luật Pascal về sự truyền áp suất trong chất lưu; phân tích đặc tính làm việc của xy lanh khí nén tác động đơn, xy lanh tác động kép, van đảo chiều điện từ 5/2 và hiện tượng tạo chân không dựa trên hiệu ứng dòng xoáy khí nén qua vòi phun (Ejector).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, tổng hợp các bảng thông số kỹ thuật (datasheet) của linh kiện điện tử, cơ khí, cảm biến và bộ điều khiển từ nhà sản xuất.
  • Phương pháp mô hình hóa và thiết kế cơ khí 3D: Ứng dụng phần mềm SolidWorks để tính toán tải trọng, thiết kế không gian hình học, kiểm tra va chạm động học giữa các trục cơ cấu trước khi gia công chế tạo.
  • Phương pháp tính toán thông số điều khiển: Thiết lập phương trình giải tích quy đổi giữa số xung phát từ bộ điều khiển và quãng đường chuyển động thẳng/góc quay thực tế thông qua các thông số tỷ số truyền puly, bước ren vít me.
  • Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Gia công lắp ráp cơ khí, đấu nối mạch điện động lực và điều khiển, lập trình thuật toán điều khiển trên phần mềm GX Works2/GX Developer, lập trình giao diện HMI trên phần mềm EasyBuilder 8000 (EB8000), sau đó đo đạc thời gian đáp ứng và sai số vị trí trên mô hình vật lý.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu:

  • Dữ liệu quy cách kỹ thuật linh kiện từ các nhà sản xuất: Mitsubishi Electric (tài liệu kỹ thuật dòng FX3U), Weintek Labs (tài liệu màn hình HMI MT6070iH), SMC Corporation (thông số bộ tạo chân không ZH10B), Airtac (xy lanh xoay, xy lanh đẩy), CHINT và Omron (khí cụ đóng cắt, rơ le trung gian).
  • Dữ liệu đo đạc thực nghiệm: Số liệu đo kiểm hành trình cơ học, bảng gán địa chỉ ngõ vào/ra (I/O), bảng thiết lập cấu hình vi bước trên Driver TB6600 và bảng thống kê thời gian thực hiện các chu trình vận hành ghi nhận trực tiếp từ hệ thống.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được tổ chức thành 3 phân hệ cơ khí chấp hành kết hợp với trung tâm điều khiển điện tử và mạng giám sát thời gian thực:

Phân hệ cơ khí chấp hành

Hệ thống cơ khí được phân định rõ ràng trên hai tuyến băng tải và ba cụm robot chuyên trách:

  1. Tuyến băng tải 1 và cơ cấu gắp hàng lên pallet:
    • Băng tải mini khung nhôm định hình 20x20 mm, sử dụng dây đai PVC màu xanh lá dày 2 mm (hoặc dây PU trắng), dẫn động trực tiếp qua dây đai, tải trọng làm việc tối đa 50 kg với tốc độ kéo 20 m/phút. Băng tải đưa các thùng hàng đến vị trí phát hiện của cảm biến quang.
    • Cụm gắp hàng 3 trục tọa độ: Trục X1 và Y1 sử dụng hệ thanh trượt tròn dẫn hướng kết hợp truyền động đai răng GT2 nhằm tạo chuyển động êm, chịu tải đa hướng và loại trừ rung lắc. Trục Z1 sử dụng cụm bàn trượt vít me T8 bước ren 8 mm kết hợp ray trượt dẫn hướng.
    • Cơ cấu chấp hành đầu cuối: Sử dụng bộ tạo chân không SMC ZH10B kết hợp giác hút mềm để kẹp giữ nắp thùng hàng mà không làm biến dạng bao bì, kết hợp xy lanh xoay Airtac để định hướng thùng hàng theo quy cách xếp đặt. Cung cấp pallet rỗng vào vị trí bốc xếp bằng xy lanh đẩy Airtac và hệ cơ cấu thanh dẫn hướng.
  2. Tuyến băng tải 2 và cơ cấu quấn màng co:
    • Vận chuyển pallet sau khi xếp đủ các lớp thùng hàng đến khu vực quấn màng.
    • Trục quấn màng co được dẫn động bằng động cơ bước thông qua hệ truyền động puly - dây đai răng với tỷ số truyền giảm tốc 1:3 (puly 20 răng trên trục động cơ ăn khớp với puly 60 răng trên trục quay) nhằm khuếch đại mô-men xoắn, giữ vững vị trí góc quay khi quấn.
    • Cơ cấu kẹp và cắt màng: Trang bị xy lanh khí nén kẹp giữ mép màng co khi bắt đầu quấn và cụm xy lanh đẩy thanh gia nhiệt cắt đứt màng co sau khi kết thúc chu trình quấn theo số vòng định mức.
  3. Phân hệ lưu kho tự động:
    • Thực hiện tiếp nhận pallet đã quấn màng từ băng tải 2 và vận chuyển vào đúng vị trí ô kệ lưu trữ.
    • Cơ cấu trục X2 sử dụng cụm ty trượt tròn phi 10 mm kết hợp truyền động đai răng. Trục Y2 và Z2 sử dụng cụm trục vít me T8 bước ren 8 mm gắn bàn trượt V-slot dẫn hướng, nâng hạ càng nâng pallet chính xác đến từng tầng kho.

Bảng tổng hợp vật tư cơ khí chính được sử dụng trong mô hình:

STT Tên thiết bị cơ khí Quy cách / Thông số kỹ thuật Số lượng Đơn vị
1 Puly đai răng Puly 20 răng 4 Cái
2 Puly đai răng Puly 40 răng 9 Cái
3 Puly đai răng Puly 60 răng 1 Cái
4 Trục vít me và đai ốc Vít me T8 bước 8 mm, chiều dài 500 mm 2 Bộ
5 Trục vít me và đai ốc Vít me T8 bước 8 mm, chiều dài 250 mm 1 Bộ
6 Gối đỡ cơ khí Gối đỡ đai ốc vít me 2 Cái
7 Gối đỡ trục Gối đỡ đứng 13 Cái
8 Gối đỡ trục Gối đỡ nằm 3 Cái
9 Thanh ty trượt tròn Ty tròn chiều dài 250 mm 3 Cái
10 Thanh ty trượt tròn Ty tròn chiều dài 475 mm 2 Cái
11 Thanh ty trượt tròn Ty tròn phi 10 mm, chiều dài 800 mm 3 Cái
12 Con trượt và ray trượt Con trượt phi 10 mm / Bàn trượt V-slot 6 / 3 Cái
13 Ray trượt dẫn hướng Ray trượt chiều dài 52 cm / 41 cm 2 / 4 Cái
14 Con trượt vuông Dùng cho ray trượt dẫn hướng 8 Cái
15 Dây đai truyền động Dây đai GT2 mở / Dây đai GT2 vòng 4 / 2 Mét / Cái
16 Khớp nối trục Khớp nối mềm 5-8 mm / 6.35-8 mm 2 / 1 Cái
17 Khung định hình Nhôm định hình 20x20 mm 30 Mét
18 Phụ kiện liên kết Kê góc nhôm 20x20 mm 104 Cái
19 Xích nhựa luồn dây Kích thước 15-20 mm 3 Mét
20 Ống dẫn khí nén Ống khí nén phi 6 mm / Van tiết lưu phi 6 16 / 8 Mét / Cái
21 Vỏ tủ điện Kích thước 400 x 500 x 220 mm 1 Cái

Phân hệ điện, điều khiển và tính toán phát xung

Kiến trúc phần điện bao gồm 6 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

  • Khối nguồn: Nguồn lưới 220V AC cấp qua aptomat MCB 2 pha CHINT 16A; bộ nguồn xung tổ ong chuyển đổi thành 24V DC cấp nguồn cho PLC, cảm biến quang, cảm biến tiệm cận, cuộn hút van điện từ và mạch điều khiển của driver; nguồn 5V DC phụ trợ cấp tín hiệu xung (PUL/DIR) cho mạch cách ly quang của Driver TB6600.
  • Khối điều khiển: Sử dụng 2 board điều khiển tương thích Mitsubishi FX3U cấu hình Master – Slaver:
    • Board PLC Master (FX3U-48MT): Đảm nhiệm xử lý logic trung tâm, điều khiển bốc xếp hàng, nhận tín hiệu cảm biến chính và giao tiếp với màn hình HMI qua cổng COM.
    • Board PLC Slaver (FX3U-24MT): Chịu trách nhiệm mở rộng chân phát xung độc lập, điều khiển cụm động cơ lưu kho và các van đảo chiều chấp hành phụ trợ.
  • Khối cảm biến: Cảm biến quang điện LS201-BG50ND (khoảng cách phát hiện 50 mm, nguồn cấp 10–30V DC, thời gian đáp ứng 1 ms, cấp bảo vệ IP67, ngõ ra NPN) dùng phát hiện thùng hàng và pallet trên băng tải; cảm biến tiệm cận NPN LJ12A3-4-Z/BX (đường kính 12 mm, khoảng cách phát hiện 0–4 mm, nguồn 6–36V DC) gắn tại các vị trí giới hạn hành trình để xác định gốc tọa độ máy (về Home) cho các trục cơ cấu.
  • Khối công suất và chấp hành:
    • Driver điều khiển động cơ bước TB6600 (dải điện áp 9–40V DC, dòng tải 1–4A, tích hợp cách ly quang tốc độ cao, hỗ trợ phân chia vi bước 1/2, 1/4, 1/8, 1/16).
    • Động cơ bước 2 pha size mặt bích 57x57 mm, đường kính trục 6.35 mm, mô-men xoắn giữ tải lớn.
    • Van điện từ khí nén 5/2 điều khiển xy lanh xoay và xy lanh đẩy; bộ hút chân không SMC ZH10B (áp suất chân không tối đa -88 kPa, tiêu thụ khí nén 46 L/phút, lưu lượng hút 24 L/phút, áp suất cấp định mức 0.45 MPa, vòi phun đường kính 1.0 mm).
    • Rơ le trung gian Omron LY2N đóng cắt tải phụ trợ; cụm nút nhấn LA38 (nút nhấn nhả phi 22, nút dừng khẩn cấp E-Stop tiếp điểm chịu dòng 10A điện áp 440V, công tắc xoay 2 vị trí LA38-203 chuyển đổi Auto/Manual).

Thông số kỹ thuật tính toán phát xung điều khiển vị trí:

Cơ cấu Trục chuyển động Cơ cấu truyền động cơ khí Cấu hình cài đặt Driver Công thức quy đổi xung Hệ số xung thực tế
Cụm bốc xếp hàng Trục X1, Y1 Puly đai răng, tỷ số truyền puly $1:2$ 3200 xung/vòng $\frac{3200 \times 2}{C_{pl}} \approx \frac{6400}{78.5}$ $82\text{ xung/mm}$
Cụm bốc xếp hàng Trục Z1 Khớp nối mềm trực tiếp vít me bước ren $8\text{ mm}$ 1600 xung/vòng $\frac{1600}{8} = 200$ (hoặc cài $800$ xung) $80\text{ - }100\text{ xung/mm}$
Cụm quấn màng co Trục quay bàn quấn Puly đai răng, tỷ số truyền giảm tốc $1:3$ 3200 xung/vòng $3200 \times 3 = 9600$ $9600\text{ xung/vòng}$
Cụm robot lưu kho Trục X2 Puly đai răng ty trượt tròn 800 xung/vòng $\frac{800}{C_{pl}}$ quy đổi theo bước đai $21\text{ xung/mm}$
Cụm robot lưu kho Trục Y2, Z2 Trục vít me bi T8 bước ren $8\text{ mm}$ 1600 xung/vòng $\frac{800}{8} = 100$ $100\text{ xung/mm}$

Giao diện giám sát và quy trình điều khiển

Giao diện vận hành được lập trình trên màn hình cảm ứng HMI Weintek MT6070iH (sử dụng phần mềm EB8000) kết nối nối tiếp với PLC qua chuẩn RS232/RS485. Giao diện bao gồm 6 màn hình chức năng chuyên biệt:

  • Màn hình chính (Main Screen): Hiển thị trạng thái kết nối mạng, các nút điều hướng chức năng, nút dừng khẩn cấp và lựa chọn chế độ vận hành.
  • Màn hình Manual: Cung cấp các phím điều khiển nhấp (Jog) từng trục chuyển động X, Y, Z, bật/tắt van hút chân không, kích hoạt xy lanh kẹp/cắt màng phục vụ quá trình căn chỉnh cơ khí ban đầu.
  • Màn hình Auto: Hiển thị sơ đồ trạng thái hoạt động động học thời gian thực, tiến trình xếp thùng, số vòng quấn màng hiện tại, tọa độ ô lưu kho đích và các nút bấm Start/Stop chu trình.
  • Màn hình lịch sử hoạt động: Lưu trữ số lần phát xung, nhật ký kích hoạt của các động cơ bước và thời gian vận hành chu trình.
  • Màn hình Setting: Cho phép kỹ sư cài đặt trực tiếp các tham số phát xung (vận tốc khởi động, tần số xung cực đại, gia tốc, quãng đường dịch chuyển của từng trục) mà không cần nạp lại mã chương trình PLC.
  • Màn hình liên hệ: Cung cấp thông tin của nhóm thiết kế phục vụ bảo trì, sửa chữa kỹ thuật.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. Giới thiệu chung

Chương 1 giới thiệu khái quát về vai trò của công nghệ đóng gói, xếp dỡ pallet và lưu kho tự động trong chuỗi cung ứng công nghiệp. Phân tích chi tiết ba giải pháp xếp hàng phổ biến gồm xếp hình khối (Block Stacking), xếp xen kẽ (Brick Stacking), xếp kim tự tháp (Pyramid Stacking) cùng các nguyên tắc kỹ thuật bắt buộc khi cố định hàng hóa trên pallet. Trên cơ sở đó, tác giả nêu rõ tính cấp thiết của đề tài, các vấn đề kỹ thuật đặt ra, xác lập 6 nhiệm vụ nghiên cứu, phương pháp tiếp cận và giới hạn phạm vi đề tài trong khuôn khổ mô hình kỹ thuật phục vụ đào tạo tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

CHƯƠNG 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày toàn diện các nền tảng lý thuyết kỹ thuật làm cơ sở tính toán cho đề tài:

  • Phân tích ưu nhược điểm và nguyên lý của 3 phân loại palletizer công nghiệp (tầng thấp, tầng cao và robot).
  • Trình bày kiến trúc phần cứng, nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm của bộ điều khiển logic khả trình PLC; so sánh đặc tính kỹ thuật các dòng PLC Mitsubishi (MELSEC-Q, MELSEC-L, MELSEC-FX, MELSEC iQ-R, MELSEC iQ-F) và 6 ngôn ngữ lập trình theo tiêu chuẩn IEC 61131-3.
  • Cơ sở truyền thông công nghiệp: Cấu tạo cáp, sơ đồ sơ đồ chân, nguyên lý chênh lệch điện áp và nhược điểm cự ly truyền của chuẩn RS232; cấu tạo cặp dây xoắn, đặc tính chống nhiễu, cấu hình mạng 2 dây và 4 dây của chuẩn RS485 và giao thức Modbus RTU.
  • Cấu tạo stator/rotor và nguyên lý chuyển mạch điện tử của động cơ bước; phân tích chuyên sâu 4 phương pháp kích từ: dạng sóng (Wave), đủ bước (Full step), nửa bước (Half step) và vi bước (Microstep).
  • Cơ sở truyền động khí nén dựa trên định luật Pascal, cấu trúc và thông số kỹ thuật làm việc của xy lanh đơn, xy lanh kép, van điện từ đảo chiều và thiết bị tạo chân không.

CHƯƠNG 3: Thiết kế phần cứng

Chương 3 là trọng tâm kỹ thuật của khóa luận, mô tả chi tiết quá trình thiết kế, tính toán và chế tạo:

  • Thiết kế cơ khí: Trình bày yêu cầu kỹ thuật và giải pháp thiết kế 3D trên SolidWorks cho cụm bốc xếp thùng lên pallet (kết hợp ray trượt tròn, đai răng GT2 và bàn trượt vít me), cụm quấn màng co (dẫn động đai giảm tốc tỷ số 1:3, xy lanh kẹp và gia nhiệt cắt màng) và cụm lưu kho 3 trục (kết hợp đai truyền trục X và bàn trượt vít me T8 trục Y, Z). Thống kê chi tiết danh mục 33 loại linh kiện cơ khí gia công lắp ráp.
  • Thiết kế phần điện: Xây dựng sơ đồ khối chức năng 6 khối (Khối nguồn 220VAC, 24VDC, 5VDC; khối điều khiển 2 board PLC FX3U; khối tín hiệu vào; khối công suất; khối cơ cấu chấp hành; khối giám sát hiển thị).
  • Tính toán phát xung điều khiển: Xây dựng phương trình toán học xác định số xung phát cho từng milimét dịch chuyển trên các trục truyền động vít me và puly đai răng của cơ cấu bốc xếp, quấn màng và xe lưu kho.
  • Lựa chọn thiết bị: Thuyết minh đặc tính kỹ thuật của board PLC Mitsubishi FX3U, cảm biến tiệm cận NPN LJ12A3-4-Z/BX, cảm biến quang LS201-BG50ND, Driver TB6600, động cơ bước 57x57, bộ tạo chân không SMC ZH10B, băng tải mini, các loại nút nhấn LA38, MCB CHINT 16A, rơ le Omron LY2N, HMI Weintek MT6070iH, van 5/2 và xy lanh Airtac.
  • Lập bảng phân công địa chỉ ngõ vào/ra (I/O) chi tiết cho PLC Master và PLC Slaver.

CHƯƠNG 4: Thiết kế phần mềm

Chương 4 tập trung vào quy trình vận hành và cấu trúc phần mềm điều khiển:

  • Trình bày lưu đồ giải thuật điều khiển toàn diện của hệ thống từ trạng thái khởi tạo, kiểm tra điều kiện an toàn, lấy gốc tọa độ (về Home) cho các trục động cơ bước.
  • Thuật toán điều khiển phối hợp giữa chế độ vận hành thủ công (Manual) phục vụ bảo dưỡng, thử nghiệm và chế độ tự động hoàn toàn (Auto).
  • Thuật toán truyền thông trao đổi dữ liệu bit và thanh ghi dữ liệu giữa PLC Master (FX3U-48MT) và PLC Slaver (FX3U-24MT).
  • Thiết kế các màn hình giao diện HMI thông qua phần mềm EB8000, gán địa chỉ vùng nhớ PLC tương ứng cho các đối tượng hiển thị số liệu, đèn báo trạng thái và các phím chức năng điều khiển cảm ứng.

CHƯƠNG 5: Kết quả và nhận xét

Chương 5 công bố kết quả thi công phần cứng và đo đạc thực nghiệm:

  • Hình ảnh hoàn thiện của mô hình cơ khí tổng thể và bố trí bên trong tủ điện điều khiển công nghiệp.
  • Hình ảnh giao diện thực tế của 6 trang màn hình HMI Weintek (Main, Manual, Auto, Lịch sử hoạt động, Setting, Liên hệ).
  • Kết quả chạy thực nghiệm chu trình khép kín: Thùng hàng di chuyển trên băng tải 1 được phát hiện chính xác, cánh tay robot gắp hút chuyển sang pallet; cơ cấu cấp pallet và định vị hoạt động đồng bộ; pallet đủ hàng được chuyển sang trạm quấn màng co, quấn đủ số vòng định mức, thanh nhiệt cắt màng thành công; robot lưu kho tiếp nhận và vận chuyển pallet đặt vào đúng ô kệ định sẵn.
  • Trình bày bảng thống kê thời gian thực hiện từng phân đoạn vận hành và đánh giá độ ổn định cơ điện tử.

CHƯƠNG 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu so với mục tiêu ban đầu, xác nhận hệ thống vận hành đúng trình tự logic, phối hợp nhịp nhàng giữa cơ khí, khí nén và điều khiển phát xung. Tác giả chỉ ra các mặt hạn chế còn tồn tại về độ rung cơ khí và tính linh hoạt kích thước phôi, đồng thời đề xuất các định hướng nghiên cứu nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm

Mô hình thực nghiệm hoàn thiện đã chứng minh tính đúng đắn của phương pháp thiết kế và giải thuật điều khiển:

  • Chế tạo thành công mô hình phần cứng tích hợp hoàn chỉnh gồm 2 phân tuyến băng tải, cánh tay robot bốc xếp 3 trục tọa độ, cơ cấu bàn xoay quấn màng co tự động và robot lưu kho 3 trục độc lập.
  • Lắp đặt hoàn chỉnh tủ điều khiển kích thước 400x500x220 mm tuân thủ tiêu chuẩn đấu nối dây công nghiệp, tích hợp 2 board điều khiển PLC FX3U, hệ thống 6 driver điều khiển động cơ bước TB6600, bộ nguồn cách ly 24VDC/5VDC và hệ rơ le trung gian Omron.
  • Hệ thống phát xung điều khiển vị trí hoạt động chính xác theo các thông số tính toán lý thuyết: trục X1/Y1 đạt tỷ lệ quy đổi 82 xung/mm, trục Z1 đạt 80–100 xung/mm, trục quấn màng đạt chính xác 9600 xung/vòng, trục X2 lưu kho đạt 21 xung/mm và trục Y2/Z2 đạt 100 xung/mm.
  • Thiết lập thành công mạng truyền thông nối tiếp điều khiển phân tán giữa PLC Master, PLC Slaver và màn hình HMI Weintek MT6070iH qua phần mềm EB8000, cho phép giám sát thông số và cấu hình tham số động học trực tiếp không cần can thiệp mã nguồn.
  • Hệ thống đã thực hiện các bài đo kiểm chu trình liên hoàn ổn định; thời gian thực hiện từng công đoạn được ghi nhận trong bảng thống kê thực nghiệm của đồ án.

Bảng tổng hợp kết quả vận hành theo các phân hệ chức năng:

Phân hệ chức năng Thiết bị điều khiển / Chấp hành Kết quả thực nghiệm ghi nhận
Cấp phôi và định vị Băng tải PVC mini, cảm biến quang LS201-BG50ND, xy lanh đẩy Phát hiện thùng hàng với độ trễ 1 ms; xy lanh đẩy đưa pallet vào đúng cữ dẫn hướng.
Bốc xếp hàng lên pallet Cụm 3 trục động cơ bước, giác hút SMC ZH10B, xy lanh xoay Airtac Hút giữ thùng hàng ổn định ở áp suất chân không -88 kPa; xoay định hướng và định vị thùng không làm biến dạng vỏ hộp.
Quấn màng co và cắt màng Bàn xoay puly 1:3, động cơ bước 57, xy lanh kẹp, thanh gia nhiệt Quay đủ số vòng cài đặt với độ phân giải 9600 xung/vòng; xy lanh kẹp và cắt đứt màng co bằng gia nhiệt dứt khoát.
Vận chuyển lưu kho Cụm 3 trục vít me bi và đai dẫn hướng, bàn trượt V-slot, cảm biến tiệm cận Đưa pallet vào đúng vị trí ô lưu trữ định trước; cảm biến tiệm cận LJ12A3 đưa hệ thống về gốc Home chính xác.
Điều khiển và giám sát Board PLC Master/Slaver FX3U, HMI Weintek MT6070iH Vận hành trơn tru ở cả 2 chế độ Auto và Manual; cập nhật lịch sử xung và thời gian hoạt động trực quan.

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

  1. Phương án khuếch đại mô-men xoắn cơ cấu quấn màng: Sử dụng bộ truyền đai giảm tốc tỷ số 1:3 giữa động cơ bước và bàn xoay, giúp tăng gấp ba lực kéo xoay màng co mà vẫn duy trì độ chính xác vị trí góc quay tuyệt đối.
  2. Giải pháp cắt màng tự động bằng gia nhiệt: Kết hợp xy lanh khí nén tịnh tiến mang thanh điện trở nhiệt, giải quyết triệt để vấn đề kẹt màng hoặc rách màng co thường gặp khi sử dụng lưỡi cắt cơ học truyền thống.
  3. Kiến trúc điều khiển đa vi xử lý PLC phân tán: Phân chia tải thuật toán giữa PLC Master (FX3U-48MT) xử lý bốc xếp, cảm biến logic và PLC Slaver (FX3U-24MT) chuyên trách mở rộng phát xung điều khiển khối lưu kho, giúp khắc phục hạn chế thiếu kênh phát xung tốc độ cao trên các dòng PLC cỡ nhỏ.
  4. Điều khiển vi bước (Microstep) trên Driver TB6600: Cấu hình phân chia dòng kích từ dạng sóng sin giúp các trục chuyển động êm ái, giảm thiểu xung giật ở các điểm bắt đầu/kết thúc hành trình, bảo vệ hàng hóa không bị xô lệch.

Đóng góp của đề tài

  • Tự thiết kế và chế tạo thành công một mô hình thực nghiệm khép kín mô phỏng toàn diện chuỗi công nghệ đóng gói pallet và lưu kho tự động theo tiêu chuẩn công nghiệp.
  • Cung cấp phương pháp luận và các công thức toán học thực tế để tính toán chính xác tần số và số lượng xung điều khiển vị trí cho các dạng truyền động cơ khí khác nhau (vít me - đai ốc, puly - dây đai răng).
  • Đóng góp một thiết kế hệ thống điều khiển tích hợp có chi phí chế tạo thấp nhờ ứng dụng hiệu quả board vi điều khiển tương thích FX3U, mở ra giải pháp xây dựng các mô hình thí nghiệm tự động hóa chuyên sâu cho các cơ sở đào tạo kỹ thuật.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài (được nhóm tác giả chỉ ra trong báo cáo):

  • Do hạn chế về thời gian thực hiện (4 tháng) và kinh nghiệm gia công cơ khí ban đầu, kết cấu khung đỡ chế tạo từ nhôm định hình 20x20 mm vẫn còn hiện tượng rung lắc nhẹ khi các cụm trục mang tải chuyển động đảo chiều ở tốc độ cao.
  • Việc sử dụng board mạch tương thích PLC FX3U giúp tiết kiệm chi phí và tăng số chân phát xung, tuy nhiên độ ổn định lâu dài và khả năng tương thích môi trường công nghiệp nặng chưa thể so sánh với các dòng PLC Mitsubishi chính hãng nguyên khối.
  • Kích thước thùng hàng và pallet trong mô hình là kích thước cố định, hệ thống chưa có khả năng linh hoạt điều chỉnh quy cách gắp cho các kiện hàng có hình dạng và kích thước bất đối xứng.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Tích hợp công nghệ xử lý ảnh công nghiệp (Machine Vision / AI) và cảm biến đọc mã vạch/mã QR để tự động phân loại nhiều chủng loại sản phẩm và phát hiện thùng hàng bị biến dạng trước khi xếp dỡ.
  • Mở rộng quy mô cơ khí của phân hệ kho hàng thành hệ thống kho lưu trữ và truy xuất tự động (ASRS) nhiều tầng, nhiều dãy với cơ cấu phân làn pallet thông minh.
  • Phát triển giao tiếp mạng công nghiệp cấp cao (Ethernet/IP, Modbus TCP/IP) để kết nối hệ thống điều khiển với phần mềm quản lý kho bãi (WMS) và hệ thống điều hành sản xuất (MES), hỗ trợ quản trị dữ liệu chuỗi cung ứng theo thời gian thực qua nền tảng điện toán đám mây.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận tốt nghiệp là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích dành cho:

  • Sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot, Điện - Điện tử: Cung cấp tài liệu thực tiễn về phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển vị trí nhiều trục (Multi-axis Motion Control), kỹ thuật lập trình phát xung tốc độ cao trên PLC và phương pháp phối ghép truyền thông Master - Slave.
  • Sinh viên thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp: Học hỏi quy trình thiết kế cơ khí 3D trên SolidWorks, phương pháp lập bảng phân công I/O, kỹ thuật thiết kế giao diện HMI công nghiệp trên phần mềm EB8000 và kỹ thuật điều khiển cơ cấu chân không, khí nén.
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các doanh nghiệp chế tạo máy vừa và nhỏ: Tham khảo các giải pháp tối ưu hóa chi phí khi ứng dụng board PLC tương thích kết hợp Driver TB6600 để điều khiển các cơ cấu bốc xếp palletizer và trạm lưu kho tự động quy mô nhỏ.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao nhất gồm:

  • Mục tính toán xung bước động cơ truyền động (Mục 3.2.2, Chương 3): Cung cấp các công thức quy đổi xung cụ thể cho từng tỷ số truyền puly và bước ren vít me.
  • Danh mục bảng thiết bị và sơ đồ khối chức năng (Mục 3.1 và 3.2, Chương 3): Hệ thống hóa đầy đủ linh kiện cơ khí, khí nén và thiết bị đóng cắt điện.
  • Cấu trúc màn hình HMI và lưu đồ giải thuật vận hành hai chế độ Auto/Manual (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn board PLC FX3U thay vì bộ PLC Mitsubishi chính hãng nguyên khối? Tác giả giải thích trong báo cáo rằng mô hình hệ thống có nhiều trục chuyển động độc lập (cụm bốc xếp 3 trục, cụm quấn màng 1 trục, cụm lưu kho 3 trục) đòi hỏi nhiều ngõ ra phát xung tốc độ cao. Board PLC FX3U cung cấp số lượng chân phát xung phong phú, đáp ứng đủ bài toán điều khiển nhiều động cơ bước cùng lúc với chi phí linh kiện phù hợp với phạm vi đề tài nghiên cứu của sinh viên.

  2. Tỷ số truyền và số xung phát cho động cơ bước ở cơ cấu quấn màng co được tính toán như thế nào? Cơ cấu quấn màng sử dụng puly đai răng với tỷ số truyền giảm tốc là 1:3 (động cơ quay 3 vòng thì bàn quấn quay được 1 vòng) nhằm gia tăng mô-men xoắn. Bộ điều khiển Driver được cài đặt ở chế độ vi bước 3200 xung cho một vòng quay động cơ. Do đó, số xung cần phát từ PLC để bàn quấn quay trọn vẹn 1 vòng là: $3200 \times 3 = 9600\text{ xung}$.

  3. Hệ thống xử lý công đoạn kẹp và cắt màng co sau khi quấn pallet bằng phương pháp kỹ thuật nào? Để tránh làm rách hoặc kẹt màng, hệ thống kết hợp cơ cấu khí nén và nhiệt năng: khi quấn gần đủ số vòng định mức, xy lanh kẹp được đẩy ra giữ mép màng; khi hoàn tất đủ số vòng, một xy lanh mang thanh điện trở gia nhiệt lập tức tịnh tiến để làm nóng chảy và cắt đứt màng co một cách dứt khoát, đồng thời xy lanh kẹp lùi về vị trí sẵn sàng cho chu trình pallet tiếp theo.

  4. Cảm biến tiệm cận NPN LJ12A3-4-Z/BX giữ vai trò gì trong quá trình vận hành của các cụm robot? Cảm biến tiệm cận NPN được gắn tại các điểm giới hạn cơ khí của từng trục cơ cấu. Vai trò cốt lõi của cảm biến là xác định vị trí gốc tọa độ máy (quá trình về Home) khi hệ thống khởi động hoặc sau khi dừng khẩn cấp. Nhờ các tín hiệu này, bộ điều khiển PLC xác lập điểm mốc 0 chuẩn xác trước khi phát chuỗi xung điều khiển vị trí tương đối đến các tọa độ làm việc.

  5. Giải pháp cơ khí nào được áp dụng trên trục Z của cụm bốc xếp và cụm lưu kho để đảm bảo khả năng chịu lực? Cả hai cụm đều sử dụng hệ bàn trượt vít me bi kết hợp ray trượt dẫn hướng (trục vít me T8 bước ren 8 mm gắn đai ốc và gối đỡ cơ khí). Cấu trúc này cho phép biến đổi chuyển động quay từ động cơ bước thành chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng với hệ số ma sát thấp, triệt tiêu hiện tượng trượt tải trọng và đảm bảo giữ vững vị trí của tay gắp khi mang thùng hàng nặng.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp "Mô hình xếp hàng lên pallet và lưu kho" của sinh viên Trương Duy Hiếu và Chế Minh Hiếu đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và chế tạo một hệ thống tự động hóa khép kín từ khâu tiếp nhận, bốc dỡ, quấn màng bảo vệ đến lưu trữ hàng hóa. Bằng việc làm chủ phương pháp tính toán phát xung động cơ bước, lập trình điều khiển liên kết 2 PLC Mitsubishi FX3U và xây dựng giao diện HMI Weintek trực quan, đề tài đã chứng minh tính khả thi cao trong việc ứng dụng công nghệ điều khiển số vào tối ưu hóa logistics nhà xưởng. Đây là công trình nghiên cứu ứng dụng có hàm lượng kỹ thuật thực tế phong phú, đóng vai trò tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên và kỹ sư ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.