Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Tại Việt Nam, với dân số hơn 90 triệu người và mật độ phương tiện xe gắn máy chiếm tỷ trọng áp đảo trong giao thông đô thị, nhu cầu sử dụng nón bảo hiểm là bắt buộc và phổ biến hàng ngày. Tuy nhiên, việc bảo quản, vệ sinh và làm sạch nón bảo hiểm chưa nhận được sự quan tâm đúng mức từ người tiêu dùng. Nón bảo hiểm sau thời gian dài sử dụng thường tích tụ bụi bẩn, mồ hôi, dầu nhờn từ da đầu, trở thành môi trường thuận lợi cho vi khuẩn và nấm mốc phát triển, gây ra các bệnh da liễu và mùi hôi khó chịu. Việc giặt thủ công tại nhà gặp nhiều bất tiện: thời gian phơi sấy kéo dài, dễ biến dạng cấu trúc mút xốp hoặc bong tróc lớp đệm, và các chất tẩy rửa thông thường khó diệt sạch nấm mốc ẩn sâu.

Xuất phát từ thực trạng trên, đề tài "Nghiên cứu chế tạo máy giặt nón bảo hiểm" được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (tháng 12/2023) dưới sự hướng dẫn của thầy Đồng Sĩ Linh.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan nhu cầu thị trường, phân tích các giải pháp máy giặt nón bảo hiểm hiện có trong nước (mô hình của Go&Go, Nón Trùm) và quốc tế (công nghệ từ Nhật Bản, Đức, Pháp, Hàn Quốc, Trung Quốc).
  2. Thiết kế và chế tạo phần cứng cơ khí: hoàn thiện khung vỏ, hệ thống truyền động xoay nón, cơ cấu gá kẹp giữ nón đa năng và hệ thống cấp thoát nước, khí nén.
  3. Thiết kế hệ thống điện và điều khiển: lựa chọn thiết bị đóng cắt, cảm biến, cơ cấu chấp hành, thiết kế sơ đồ mạch điện và bố trí tủ điện.
  4. Xây dựng thuật toán, viết chương trình điều khiển tự động trên nền tảng PLC Mitsubishi FX2N và thiết kế giao diện vận hành, giám sát trên màn hình HMI Wecon.
  5. Thử nghiệm thực tế mô hình, phân tích các lỗi kỹ thuật phát sinh qua các lần chạy thử và đề xuất giải pháp khắc phục.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình tự động hóa các khâu xả nước, phun chất tẩy rửa, chà rửa áp lực, sấy khô và khử trùng bằng tia cực tím; các dòng nón bảo hiểm phổ biến trên thị trường, trọng tâm là nón bảo hiểm nửa đầu (1/2) và ba phần tư đầu (3/4).
  • Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được triển khai chế tạo, lập trình và thử nghiệm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, hoàn thành vào tháng 12 năm 2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên sự kết hợp liên ngành giữa cơ học truyền động, thủy lực - khí nén, công nghệ diệt khuẩn quang học và điều khiển tự động hóa công nghiệp. Quy trình giặt nón bảo hiểm tiêu chuẩn được xây dựng qua 5 bước chính:

  • Xả nước làm ướt bề mặt và lòng trong nón để mềm vết bẩn.
  • Phun dung dịch nước giặt kết hợp chuyển động quay đảo chiều/liên tục của giá đỡ.
  • Xả sạch bọt xà phòng và cặn bẩn bằng nước áp lực cao.
  • Thổi khí sấy khô bề mặt đệm mút kết hợp chiếu xạ tia cực tím (UVC) để phá hủy cấu trúc DNA/RNA của vi khuẩn, nấm mốc.
  • Kết thúc chu trình và kiểm tra trạng thái an toàn.

Phương pháp nghiên cứu được nhóm tác giả áp dụng:

  • Phương pháp tính toán cơ học: Tính toán tỷ số truyền động đai và bộ truyền bánh răng để xác định tốc độ quay tối ưu của giá đỡ nón nhằm đảm bảo lực ly tâm không làm hỏng cấu trúc nón nhưng đủ phân phối đều lưu chất.
  • Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA): Sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế mô hình 3D và kiểm nghiệm ứng suất, độ biến dạng của cụm giá đỡ nón dưới tác dụng của tải trọng làm việc.
  • Phương pháp tích hợp hệ thống phần cứng và phần mềm: Ghép nối PLC, HMI, bộ điều khiển tốc độ động cơ DC (Dimmer), van điện từ khí nén, máy bơm áp lực và các rơ-le trung gian thành một hệ thống điều khiển thống nhất.
  • Phương pháp thực nghiệm - hiệu chỉnh: Tiến hành vận hành thử nghiệm lặp lại nhiều lần để ghi nhận các hiện tượng rung lắc, mất áp lực nước, rò rỉ buồng giặt nhằm tinh chỉnh thông số phần cứng và thuật toán điều khiển.

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu gồm các tài liệu kỹ thuật phần cứng của Mitsubishi Electric (FX2N Hardware Manual), tài liệu lập trình HMI Wecon Levi Series (LeviStudioU), giáo trình Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí (Trịnh Chất - Lê Văn Uyển) cùng các thông số kỹ thuật thương mại từ nhà sản xuất linh kiện.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống cơ khí và truyền động

Khung máy được gia công từ nhôm định hình kích thước 30x30 mm, kết hợp tấm ốp mica dày 5 mm và nhựa kỹ thuật bao bọc xung quanh. Kết cấu này giúp máy có trọng lượng nhẹ, chống ăn mòn hóa chất và dễ dàng quan sát không gian làm việc bên trong.

Cơ cấu truyền động giá đỡ nón sử dụng động cơ giảm tốc DC 775 kết hợp hai cấp truyền động:

  • Cấp 1 (Bộ truyền đai răng): Pully sơ cấp (40 răng) nối trục động cơ truyền chuyển động đến Pully thứ cấp (40 răng) qua dây đai với tỷ số truyền $i_1 = 40/40 = 1:1$.
  • Cấp 2 (Bộ truyền bánh răng): Bánh răng nhỏ dẫn động (20 răng) ăn khớp với bánh răng lớn (80 răng) gắn trực tiếp với trục xoay giá đỡ nón, tỷ số truyền $i_2 = 80/20 = 4:1$.

Tổng tỷ số truyền của toàn hệ thống là: $$i_{tong} = i_1 \times i_2 = 1 \times 4 = 4$$

Với tốc độ định mức của động cơ 775 là 120 vòng/phút (ở nguồn 12V - 10A), tốc độ quay lớn nhất của giá đỡ nón đạt được là: $$n_{output} = \frac{120}{4} = 30\text{ vòng/phút}$$

Giá đỡ nón gồm 4 trục bố trí theo hình elip nhằm định vị và ôm sát lòng trong của các cỡ nón khác nhau. Kết quả kiểm nghiệm bền trên SolidWorks với lực tác dụng $60\text{ N}$ (tương đương khối lượng $6\text{ kg}$) cho thấy kết cấu nhôm nằm trong giới hạn bền đàn hồi cho phép, không xuất hiện biến dạng cục bộ nguy hiểm. Tải trọng tĩnh thiết kế của cụm chịu được từ 6–8 kg và tải trọng động khi quay đạt 4–5 kg với hiệu suất truyền động ước tính 90–95%.

Hệ thống điện, điều khiển và thiết bị ngoại vi

Tên thiết bị Thông số kỹ thuật chính Chức năng trong hệ thống
PLC Mitsubishi FX2N-16MT-001 Nguồn AC 85–264V, 8 ngõ vào Digital, 8 ngõ ra Transistor, bộ nhớ 16.000 bước lệnh. Bộ điều khiển trung tâm tiếp nhận tín hiệu và điều khiển cơ cấu chấp hành.
Màn hình HMI Wecon LEVI 700LC 7 inch TFT LCD (800x480), nguồn 24VDC, cổng COM RS485/RS422/RS232. Giao diện tương tác người - máy, cài đặt thời gian và giám sát trạng thái.
Động cơ giảm tốc 775 Nguồn 12VDC - 10A, tốc độ không tải 120 vòng/phút, tải trọng kéo 20 kg. Dẫn động quay cơ cấu giá đỡ nón bảo hiểm.
Bộ điều tốc Dimmer DC 20A Nguồn 9–60VDC, dòng tải max 20A, điều chế xung PWM tần số 15 kHz. Điều chỉnh tốc độ quay động cơ 775 qua biến trở.
Bơm mini Sinleader Nguồn 12VDC (4–7A), áp suất 90 PSI, lưu lượng 4,5 lít/phút, ống dẫn $\varnothing 12\text{ mm}$. Hút và phun dung dịch nước giặt từ bình chứa vào lồng giặt.
Bơm áp suất Honda Nguồn 220VAC, công suất 2300W, áp lực phun 180 bar, lưu lượng 8 lít/phút, ống $\varnothing 16\text{ mm}$. Phun tia nước áp lực cao để xả sạch nước giặt và cặn bẩn bám dính.
Đèn UV diệt khuẩn Đèn phát tia UVC chiều dài 10 cm, bước sóng diệt khuẩn, bóng thạch anh. Khử trùng, tiêu diệt vi khuẩn và nấm mốc trong lòng nón bảo hiểm.
Thiết bị khí nén & phụ trợ 02 van điện từ khí nén 5/2, nguồn tổ ong 24V-2.2A, nguồn 12V-10A, 05 relay trung gian, contactor, nút dừng khẩn cấp (E-Stop). Cấp khí sấy khô, chuyển mạch công suất và đảm bảo an toàn điện.

Nội dung chính theo từng chương

Tổng quan về đề tài

Chương này phân tích sự cần thiết của việc chế tạo thiết bị giặt nón bảo hiểm tự động trong bối cảnh giao thông xe máy tại Việt Nam. Tác giả khảo sát các dòng máy thương mại nội địa như hệ thống 2 khoang (hấp nhiệt độ cao 150°C trong 1 phút và sấy khô 5-6 phút) của Go&Go hay mô hình lồng giặt đơn tích hợp ghim kẹp nón và phun hơi nóng của Nón Trùm. Đồng thời, chương 1 cũng tổng hợp các hướng tiếp cận công nghệ từ Nhật Bản (công nghệ làm sạch hơi nước, cảm biến đo độ bẩn), Châu Âu (thiết kế chuyên dụng cho mũ bảo hộ lao động), Hàn Quốc (cảm biến nhận diện loại nón) và Trung Quốc (máy công suất lớn). Từ đó, nhóm xác định mục tiêu chế tạo hệ thống nhỏ gọn, tích hợp PLC - HMI, hướng đến nón bảo hiểm phổ thông.

Thiết kế hệ thống

Nội dung chương trình bày chi tiết bản vẽ kết cấu, tính toán động học bộ truyền đai - bánh răng, kết quả phân tích ứng suất kết cấu giá đỡ bằng phần mềm SolidWorks dưới tải trọng 60 N. Phần thiết kế điện làm rõ sơ đồ phân phối nguồn điện lưới 220VAC qua aptomat (CB), hạ áp qua các bộ nguồn xung 24VDC và 12VDC, sơ đồ đấu nối ngõ vào (Input) từ nút nhấn, công tắc xoay, tiếp điểm HMI vào PLC FX2N-16MT và sơ đồ ngõ ra (Output) kích hoạt rơ-le trung gian điều khiển máy bơm, van điện từ và khởi động từ.

Hướng dẫn vận hành và lập trình điều khiển

Chương này mô tả chi tiết hai chế độ hoạt động của máy cùng lưu đồ thuật toán và chương trình bậc thang (Ladder Diagram) trên phần mềm GX Developer/GX Works 2:

  • Chế độ tự động (AUTO): Kích hoạt thông qua công tắc xoay hoặc nút Start trên HMI. Chu trình tự động thực hiện tuần tự: xoay mâm nón $\rightarrow$ bơm nước xả ướt $\rightarrow$ bơm phun dung dịch nước giặt $\rightarrow$ xả nước áp lực cao $\rightarrow$ mở van khí sấy $\rightarrow$ bật đèn UV khử khuẩn $\rightarrow$ tự động ngắt khi hoàn tất.
  • Chế độ thủ công (MANUAL): Cho phép can thiệp độc lập từng cụm chức năng:
    • Chức năng XẢ: Mâm nón quay và bơm nước sạch xả ướt trong thời gian 2 phút rồi tạm dừng.
    • Chức năng GIẶT: Mâm nón quay liên tục, bơm phun dung dịch nước giặt hoạt động trong 30 giây đầu; tiếp đó bơm áp lực cao Honda hoạt động xả sạch trong 4 phút.
    • Chức năng SẤY & KHỬ TRÙNG: Mâm nón quay kết hợp mở van khí sấy trong 5 phút; sau đó đèn UV tự động bật khử trùng trong 2 phút tiếp theo rồi tắt toàn bộ hệ thống.

Thử nghiệm và kết quả đạt được

Nội dung chương ghi lại quá trình vận hành thực nghiệm qua 3 giai đoạn:

  • Thử nghiệm lần 1: Phát hiện hiện tượng rung giật cơ khí và phát sinh tiếng ồn lớn tại cụm động cơ 775 và bơm áp lực. Xử lý: châm dầu bôi trơn, bổ sung đệm cao su giảm chấn và gia cố các vị trí bu lông liên kết.
  • Thử nghiệm lần 2: Áp suất phun nước chưa tối ưu, tia nước từ đầu bét phun bị lệch hướng và lưu lượng không đồng đều. Xử lý: căn chỉnh lại góc phun của các đầu bét và bố trí lại đường ống dẫn áp lực.
  • Thử nghiệm lần 3: Nước giặt bị rò rỉ ra ngoài vỏ máy qua các khe hở lồng giặt. Xử lý: làm kín lại gioăng buồng giặt, thay thế khớp nối ống bị lỏng.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành các mục tiêu đề ra về mặt thiết kế, gia công và thử nghiệm:

  • Chế tạo thành công mô hình máy giặt nón bảo hiểm thực tế sử dụng khung nhôm định hình $30\times30\text{ mm}$ và vỏ mica dày $5\text{ mm}$, có giá đỡ nón xoay tự động với tốc độ tối đa 30 vòng/phút.
  • Xây dựng hoàn chỉnh tủ điện điều khiển tích hợp PLC Mitsubishi FX2N-16MT-001, màn hình cảm ứng HMI Wecon LEVI 700LC 7 inch, các bộ nguồn 24V/12V và hệ thống bảo vệ nút dừng khẩn cấp.
  • Lập trình điều khiển chính xác các quy trình vận hành theo hai chế độ AUTO và MANUAL với các mốc thời gian định lượng rõ ràng (xả 2 phút, phun xà phòng 30 giây, rửa sạch 4 phút, sấy khí 5 phút, chiếu đèn UV 2 phút).
  • Ứng dụng thành công đèn UVC bước sóng ngắn để khử khuẩn lòng nón và máy bơm cao áp Honda 180 bar (2300W) kết hợp bơm hóa chất Sinleader 90 PSI để làm sạch nón.

Đóng góp của đề tài thể hiện ở việc đưa ra giải pháp kỹ thuật tích hợp hoàn chỉnh giữa cơ khí chính xác và điều khiển tự động PLC-HMI với chi phí chế tạo phù hợp cho mô hình đồ án tốt nghiệp, tạo tiền đề thực nghiệm cho các nghiên cứu cải tiến máy giặt nón bảo hiểm dịch vụ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của mô hình:

  • Kích thước tổng thể của máy còn tương đối lớn, chiếm diện tích.
  • Vật liệu vỏ khung nhôm - mica có khả năng chịu va đập cơ học chưa cao.
  • Hệ thống đường ống cấp thoát nước bên trong lồng giặt còn thô sơ, việc bố trí ống mềm dễ bị rung lắc khi bơm cao áp làm việc.
  • Quy trình sấy khô chỉ dựa trên van khí thổi, chưa tích hợp hệ thống gia nhiệt cưỡng bức dẫn đến hiệu suất sấy khô hoàn toàn các lớp đệm mút dày còn hạn chế.

Hướng phát triển tiếp theo được nhóm tác giả đề xuất:

  • Tích hợp công nghệ thông minh (AI và IoT) nhằm giám sát thiết bị từ xa qua Internet và tự động nhận diện mức độ bẩn của nón để điều chỉnh chu trình giặt tối ưu.
  • Nghiên cứu sử dụng các vật liệu composite hoặc kim loại tấm dập chuyên dụng để tăng độ bền chống va đập, chống rỉ sét và tối ưu hóa kích thước khung vỏ.
  • Cải tiến buồng sấy bằng cách bổ sung điện trở nhiệt hoặc công nghệ sấy nhiệt độ cao có kiểm soát để rút ngắn thời gian làm khô lớp lót xốp.
  • Nâng cấp các đầu béc phun nước và hoàn thiện hệ thống gom xả nước thải khép kín.
  • Mở rộng phạm vi ứng dụng sang giặt các loại mũ chuyên dụng trong công nghiệp, y tế, quân sự và thể thao.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Tự động hóa, Cơ khí Chế tạo máy khi thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về thiết kế máy tự động mini. Cụ thể:

  • Tham khảo phương pháp tính toán tỷ số truyền động đai - bánh răng kết hợp động cơ DC và bộ điều tốc PWM.
  • Tham khảo phương pháp mô phỏng kiểm nghiệm ứng suất tĩnh trên SolidWorks cho chi tiết gá kẹp chịu tải.
  • Cung cấp sơ đồ nguyên lý kết nối phần cứng I/O giữa PLC họ Mitsubishi FX2N với màn hình HMI Wecon, hệ thống relay trung gian và thiết bị công suất cao.
  • Cung cấp cấu trúc phân chia lưu đồ giải thuật cho các chu trình máy làm việc theo hai chế độ Auto/Manual.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu truyền động của máy giặt nón bảo hiểm có cấu tạo và thông số như thế nào? Hệ thống sử dụng động cơ giảm tốc DC 775 (tốc độ không tải 120 vòng/phút) truyền động qua bộ truyền pully - đai răng (tỷ số truyền 1:1, 40 răng : 40 răng) và nối tiếp với bộ truyền bánh răng nhỏ - lớn (tỷ số truyền 4:1, 20 răng : 80 răng). Tốc độ quay lớn nhất của giá đỡ nón đạt được là 30 vòng/phút.

2. Tải trọng thiết kế và kết quả kiểm nghiệm bền của giá đỡ nón ra sao? Giá đỡ nón gồm 4 trục bố trí hình elip bằng vật liệu nhôm. Kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn trên SolidWorks với lực tác dụng 60 N (tương đương 6 kg) chứng minh kết cấu không bị biến dạng quá giới hạn an toàn. Tải trọng làm việc của cơ cấu chịu được 6–8 kg ở trạng thái tĩnh và 4–5 kg ở trạng thái động.

3. Trong hệ thống có những loại máy bơm nào và nhiệm vụ của từng loại là gì? Hệ thống sử dụng hai loại máy bơm:

  • Bơm mini Sinleader (12VDC, áp suất 90 PSI, lưu lượng 4,5 lít/phút, ống dẫn $\varnothing 12\text{ mm}$): dùng để bơm dung dịch nước giặt từ bình chứa phun vào nón.
  • Bơm cao áp Honda (220VAC, công suất 2300W, áp lực phun 180 bar, lưu lượng 8 lít/phút, ống dẫn $\varnothing 16\text{ mm}$): dùng để tạo tia nước áp lực cao xả sạch bọt xà phòng và chất bẩn.

4. Thời gian vận hành các công đoạn ở chế độ thủ công (MANUAL) được thiết lập như thế nào? Ở chế độ Manual, mỗi nút chức năng được định thời cụ thể:

  • Nút XẢ: Mâm nón quay và bơm nước sạch xả ướt trong 2 phút.
  • Nút GIẶT: Mâm quay liên tục, bơm nước giặt phun trong 30 giây đầu, sau đó bơm cao áp xả sạch nước trong 4 phút.
  • Nút SẤY: Mâm quay và van sấy khí hoạt động trong 5 phút, tiếp theo đèn UV bật diệt khuẩn trong 2 phút rồi dừng hoàn toàn.

Kết luận

Đồ án "Nghiên cứu chế tạo máy giặt nón bảo hiểm" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã hiện thực hóa thành công một mô hình máy giặt nón tự động hoàn chỉnh từ khâu cơ khí đến mạch điều khiển PLC FX2N và giao diện HMI. Hệ thống đáp ứng tốt các yêu cầu chức năng về xả ướt, giặt bọt, xả áp lực cao, sấy khí và diệt khuẩn bằng đèn tia cực tím cho các loại nón bảo hiểm phổ biến. Dù còn một số điểm cần khắc phục về kích thước và hệ thống gia nhiệt sấy, đề tài đã giải quyết hiệu quả bài toán tự động hóa quy trình vệ sinh nón bảo hiểm phục vụ đời sống dân sinh.