Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Rửa và Phân Loại Cam

• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Rửa và Phân Loại Cam

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Sơ lược về trái cam
• 1.3. Quá trình cơ bản trong sản xuất chế biến cam
• 1.4. Chọn lựa — Phân loại
• 1.5. Các loại máy rửa trên thị trường
• 1.6. Các loại máy phân loại trên thị trường
• 2. CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
• 2.1. Phương án về kiểu máy rửa
• 2.2. Lựa chọn máy thổi khí
• 2.3. Phương án về kiểu máy phân loại
• 2.4. Lựa chọn camera
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
• 3.1. Thiết kế máy rửa
• 3.2. Chiều dài của bồn rửa
• 3.3. Tính toán lựa chọn béc phun
• 3.4. Tính toán tổn thất hệ thống phun
• 3.5. Tính toán công suất máy thổi
• 3.6. Tính toán tổn thất trên đường ống thổi
• 3.7. Tính toán thiết kế băng chuyền
• 3.8. Tính toán thiết kế xích tải mang con lăn
• 3.9. Tính toán thiết kế băng chuyền chữ V
• 3.10. Tính toán xích tải phân loại
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
• 4.1. Thiết kế hệ thống điện cho máy rửa
• 4.2. Thiết kế hệ thống điện cho 2 băng chuyền con lăn và chữ V
• 4.3. Thiết kế hệ thống điện cho băng tải phân loại
• 5. CHƯƠNG 5: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
• 5.1. Tiền xử lý
• 5.2. Các thuật toán trong quá trình xử lý
• 6. CHƯƠNG 6: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 6.1. Kết quả đạt được
• 6.2. Những hạn chế, khó khăn
• 6.3. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG

I. Hướng Dẫn Nghiên Cứu Hệ Thống Rửa Phân Loại Cam Toàn Diện

Nghiên cứu và phát triển một hệ thống rửa và phân loại cam tự động là một yêu cầu cấp thiết, xuất phát từ thực tiễn sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam. Với sản lượng cam ước tính đạt trên 24,500 tấn mỗi năm, việc xử lý sau thu hoạch bằng phương pháp thủ công không còn đáp ứng được về năng suất, chi phí và chất lượng. Một hệ thống tự động hóa không chỉ giúp giải quyết bài toán nhân công mà còn nâng cao giá trị thương phẩm cho trái cam, một trong những nông sản chủ lực. Bài viết này trình bày chi tiết quá trình nghiên cứu, từ việc phân tích các công nghệ hiện có đến việc lựa chọn phương án thiết kế tối ưu, bao gồm cả thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển thông minh. Nội dung được chắt lọc từ đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường, cung cấp một cái nhìn tổng quan và sâu sắc về cơ điện tử trong nông nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghệ sau thu hoạch. Mục tiêu của nghiên cứu là chế tạo một mô hình máy có khả năng rửa sạch và phân loại cam theo kích thước với độ chính xác cao, góp phần vào việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao năng lực cạnh tranh cho nông sản Việt Nam trên thị trường. Việc áp dụng các công nghệ hiện đại như xử lý ảnh kỹ thuật số và hệ thống điều khiển PLC là chìa khóa để tạo ra một dây chuyền phân loại nông sản hiệu quả, đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng trái cây ngày càng khắt khe. Đây là một tài liệu tham khảo giá trị cho các sinh viên, kỹ sư và doanh nghiệp đang quan tâm đến lĩnh vực tự động hóa nông nghiệp.

1.1. Tầm quan trọng của công nghệ sau thu hoạch đối với cam

Chất lượng nông sản, đặc biệt là trái cam, chịu ảnh hưởng lớn từ các công đoạn sau khi thu hái. Công nghệ sau thu hoạch đóng vai trò quyết định trong việc giảm thiểu tổn thất, kéo dài thời gian bảo quản nông sản và duy trì giá trị dinh dưỡng. Theo tài liệu gốc, quá trình sơ chế cam bao gồm các công đoạn rửa, lựa chọn và phân loại. Giai đoạn rửa giúp loại bỏ đất cát, bụi bẩn và giảm thiểu vi sinh vật trên bề mặt vỏ, là yêu cầu cơ bản để đảm bảo vệ sinh. Giai đoạn phân loại giúp đồng nhất sản phẩm về kích thước, màu sắc và độ chín, tạo điều kiện thuận lợi cho đóng gói, vận chuyển và chế biến. Việc đầu tư vào một máy rửa trái cây công nghiệp và hệ thống phân loại hiện đại không chỉ nâng cao chất lượng thành phẩm mà còn giảm chi phí nhân công, vốn chiếm tới khoảng 25 tỷ đồng mỗi năm theo ước tính. Một hệ thống tự động giúp đảm bảo cam được xử lý nhanh chóng, giữ được độ tươi ngon và đáp ứng các tiêu chuẩn xuất khẩu.

1.2. Quy trình sản xuất và chế biến cam tiêu chuẩn hiện nay

Một quy trình sản xuất và chế biến cam điển hình bao gồm các bước: thu hoạch, vận chuyển về xưởng, rửa, lựa chọn - phân loại, đóng gói và bảo quản. Mỗi công đoạn đều có những yêu cầu kỹ thuật riêng. Đặc biệt, công đoạn rửa và phân loại được xem là khâu tốn nhiều chi phí và nhân lực nhất do sản lượng cam rất lớn. Quá trình rửa thường gồm hai giai đoạn: ngâm để làm mềm chất bẩn và rửa xối bằng tia nước áp lực cao. Quá trình phân loại thủ công được thực hiện trên băng tải, nơi công nhân loại bỏ những quả không đạt yêu cầu. Tuy nhiên, phương pháp này phụ thuộc nhiều vào con người, dễ bỏ sót và có năng suất thấp. Việc nghiên cứu một dây chuyền phân loại nông sản tích hợp cả hai công đoạn là một bước tiến quan trọng, giúp tự động hóa và đồng bộ hóa quy trình, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất tổng thể.

II. Phân Tích Thách Thức Khi Thiết Kế Hệ Thống Phân Loại Cam

Việc thiết kế một hệ thống rửa và phân loại cam hiệu quả đối mặt với nhiều thách thức về kỹ thuật và kinh tế. Thách thức lớn nhất là làm sao để cân bằng giữa hiệu suất, độ chính xác và chi phí đầu tư. Các phương pháp thủ công tuy chi phí ban đầu thấp nhưng năng suất không cao, chất lượng không đồng đều và chi phí nhân công về lâu dài rất lớn. Ngược lại, các hệ thống nhập khẩu có giá thành cao, không phải lúc nào cũng phù hợp với điều kiện và quy mô sản xuất tại Việt Nam. Do đó, việc nghiên cứu tự chủ công nghệ là hướng đi tất yếu. Các vấn đề kỹ thuật cần giải quyết bao gồm: làm sao để rửa sạch cam mà không gây dập nát, làm sao để phân loại chính xác theo nhiều tiêu chí (kích thước, màu sắc, trọng lượng) với tốc độ cao. Đề tài nghiên cứu đã khảo sát nhiều loại máy trên thị trường như máy rửa lồng quay, máy rửa sục khí, máy phân loại kiểu đai, máy phân loại tang trống để rút ra ưu nhược điểm. Từ đó, đề ra yêu cầu thiết kế cho một hệ thống mới, với năng suất mục tiêu 500-700 kg/h và độ chính xác phân loại đạt 95%. Đây là một bài toán cơ điện tử trong nông nghiệp phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa thiết kế cơ khí, điều khiển tự động và công nghệ thị giác máy tính.

2.1. So sánh các loại máy rửa và phân loại trên thị trường

Tài liệu nghiên cứu đã tiến hành so sánh chi tiết các loại máy hiện có. Đối với máy rửa, các phương án như máy rửa băng chuyền, máy rửa thổi khí, máy rửa cánh đảo và máy rửa kiểu sàng được đưa ra phân tích. Máy rửa băng chuyền được lựa chọn vì khả năng rửa được nhiều loại nông sản, tiết kiệm nước và đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng đều. Đối với máy phân loại, các loại máy phổ biến bao gồm máy phân loại kiểu đai (dựa vào khoảng cách dây đai), máy phân loại tang trống đục lỗ (dựa vào kích thước lỗ) và máy phân loại băng tải xích (dựa vào trọng lượng hoặc hình ảnh). Phương án máy phân loại băng xích tích hợp camera được chọn vì tính linh hoạt, có khả năng mở rộng về số lượng và cách thức phân loại, không chỉ giới hạn ở kích thước.

2.2. Yêu cầu kỹ thuật cho một dây chuyền phân loại nông sản

Một dây chuyền phân loại nông sản hiện đại cần đáp ứng nhiều yêu cầu kỹ thuật khắt khe. Năng suất phải đủ lớn để xử lý lượng nông sản trong thời gian thu hoạch cao điểm, mục tiêu của đề tài là 500-700 kg/h. Độ chính xác phân loại phải đạt trên 95% để đảm bảo sự đồng đều của sản phẩm. Hệ thống phải hoạt động ổn định, ít hỏng hóc, dễ vận hành và bảo trì. Vật liệu chế tạo, đặc biệt là các bộ phận tiếp xúc trực tiếp với nông sản, phải là inox 304 để đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm. Quan trọng hơn, hệ thống cần có khả năng tùy biến, dễ dàng điều chỉnh các thông số phân loại (ví dụ: thay đổi ngưỡng kích thước) để phù hợp với nhiều giống cam hoặc các loại nông sản khác. Đây là những tiêu chí nền tảng cho việc thiết kế và chế tạo sau này.

III. Phương Pháp Thiết Kế Cơ Khí Hệ Thống Rửa và Phân Loại Cam

Quá trình thiết kế cơ khí là nền tảng cốt lõi của toàn bộ hệ thống rửa và phân loại cam. Dựa trên phương án đã chọn, các cụm chi tiết máy được tính toán và thiết kế một cách cẩn thận để đảm bảo độ bền, tính chính xác và khả năng vận hành ổn định. Phần thiết kế tập trung vào hai cụm chính: máy rửa và hệ thống các băng tải. Cụm máy rửa được thiết kế dạng băng chuyền kết hợp sục khí và phun tia nước áp lực cao. Các thông số như kích thước bồn rửa, công suất bơm, công suất máy thổi khí và số lượng béc phun được tính toán chi tiết dựa trên năng suất yêu cầu. Hệ thống băng tải được thiết kế liên hoàn, bao gồm băng chuyền xích trong máy rửa, băng tải phân loại dạng con lăn để kiểm tra, băng chuyền chữ V để định tâm và xích tải phân loại cuối cùng. Mỗi loại băng tải đều được tính toán sức bền, lựa chọn vật liệu, động cơ và hộp giảm tốc phù hợp. Toàn bộ quá trình này được hỗ trợ bởi các phần mềm chuyên dụng để tạo ra mô hình 3D máy phân loại và các bản vẽ kỹ thuật CAD chi tiết, phục vụ cho việc chế tạo. Đây là một ví dụ điển hình của đồ án cơ khí chế tạo ứng dụng trong nông nghiệp.

3.1. Thiết kế và tính toán chi tiết cụm máy rửa băng chuyền

Cụm máy rửa được thiết kế với bồn chứa dài 2500mm, rộng 800mm. Hệ thống phun sử dụng 35 béc phun loại BT6, hoạt động ở áp suất 3 bar, đảm bảo rửa sạch bề mặt cam mà không gây tổn thương. Một máy bơm công suất 1.45 kW được lựa chọn để cung cấp đủ lưu lượng và áp suất cho hệ thống béc phun. Song song đó, hệ thống sục khí sử dụng máy thổi khí dạng con sò công suất 1.1 kW, tạo ra các bọt khí làm xáo trộn nước và nguyên liệu, tăng hiệu quả làm sạch. Băng chuyền trong máy rửa được tính toán để có tốc độ tối đa 0.05 m/s, đảm bảo thời gian lưu của cam trong bồn rửa từ 4-6 phút, đủ để làm sạch hoàn toàn.

3.2. Tính toán thiết kế các cụm băng tải và xích tải liên hoàn

Hệ thống bao gồm nhiều băng tải nối tiếp. Xích tải mang con lăn có nhiệm vụ vừa vận chuyển vừa xoay quả cam để công nhân kiểm tra trực quan. Băng chuyền chữ V giúp định tâm quả cam trước khi đi vào khu vực camera. Cuối cùng, xích tải phân loại mang các khay chứa cam di chuyển qua camera và đến các cơ cấu gạt. Mỗi băng tải đều được tính toán kỹ lưỡng về lực kéo, công suất động cơ, tỷ số truyền của hộp giảm tốc và đường kính trục để đảm bảo độ bền và hoạt động đồng bộ. Các động cơ có công suất từ 0.1 kW đến 1.5 kW được lựa chọn, đi kèm với các hộp giảm tốc phù hợp để đạt được vận tốc mong muốn cho từng công đoạn.

IV. Bí Quyết Xây Dựng Hệ Thống Phân Loại Cam Bằng Xử Lý Ảnh

Điểm nhấn công nghệ của hệ thống rửa và phân loại cam này nằm ở khả năng phân loại tự động dựa trên thị giác máy tính. Thay vì các phương pháp cơ học truyền thống, hệ thống sử dụng một camera công nghiệp để chụp ảnh từng quả cam, sau đó áp dụng các thuật toán xử lý ảnh kỹ thuật số để xác định chính xác kích thước. Toàn bộ quá trình được điều khiển bởi một bộ điều khiển logic khả trình (PLC), nhận tín hiệu từ hệ thống xử lý ảnh và ra lệnh cho các cơ cấu chấp hành (động cơ servo) để gạt cam vào đúng máng phân loại. Việc lựa chọn camera có độ phân giải phù hợp, thiết kế hệ thống chiếu sáng tối ưu để loại bỏ bóng và nhiễu là những yếu tố quyết định đến độ chính xác của hệ thống. Nghiên cứu sử dụng thư viện OpenCV, một công cụ mạnh mẽ trong lĩnh vực thị giác máy tính, để xây dựng các thuật toán nhận dạng. Quá trình này bao gồm các bước: tiền xử lý ảnh, chuyển đổi không gian màu, phát hiện biên dạng và cuối cùng là tính toán đường kính. Sự thành công của hệ thống này chứng tỏ tiềm năng to lớn của việc ứng dụng hệ thống phân loại bằng hình ảnh trong tự động hóa nông nghiệp.

4.1. Thiết kế hệ thống điều khiển PLC và cơ cấu chấp hành

Trái tim của hệ thống là bộ hệ thống điều khiển PLC Mitsubishi dòng Q, có khả năng xử lý tốc độ cao và điều khiển chính xác nhiều cơ cấu cùng lúc. PLC nhận dữ liệu kích thước từ máy tính nhúng (Raspberry Pi) sau khi xử lý ảnh. Dựa trên dữ liệu này, PLC sẽ gửi tín hiệu đến các driver để điều khiển 4 động cơ servo. Các động cơ servo này gắn với các tay gạt, có nhiệm vụ đẩy quả cam từ khay chứa trên băng tải vào máng phân loại tương ứng với kích thước của nó. Việc sử dụng động cơ servo đảm bảo thao tác gạt diễn ra nhanh chóng, chính xác và êm ái, đáp ứng được tốc độ của dây chuyền.

4.2. Ứng dụng thuật toán OpenCV để xác định kích thước cam

Để xác định kích thước, ảnh chụp từ camera sẽ trải qua nhiều bước xử lý. Đầu tiên, ảnh được chuyển từ không gian màu RGB sang HSV để dễ dàng lọc màu nền và tách biệt đối tượng (quả cam). Sau đó, thuật toán phát hiện biên (edge detection) được áp dụng để tìm ra đường bao của quả cam. Từ đường bao này, một hình chữ nhật bao quanh (bounding box) được xác định. Chiều rộng và chiều cao của hình chữ nhật này (tính bằng pixel) sẽ được sử dụng để tính toán ra kích thước thực tế (tính bằng mm) thông qua một hệ số hiệu chuẩn k. Hệ số này phụ thuộc vào chiều cao lắp đặt camera và các thông số của ống kính. Toàn bộ giải thuật được lập trình bằng Python và chạy trên thư viện OpenCV, cho kết quả nhanh chóng và đủ chính xác cho yêu cầu phân loại.

V. Đánh Giá Hiệu Quả Hệ Thống Rửa và Phân Loại Cam Tự Động

Kết quả của đề tài Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Rửa và Phân Loại Cam đã đạt được những mục tiêu quan trọng đề ra. Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh trên lý thuyết, với các tính toán chi tiết về cơ khí, điện và điều khiển, sẵn sàng cho việc chế tạo thực tế. Về mặt lý thuyết, hệ thống có khả năng đạt năng suất 500-700 kg/h, đáp ứng nhu cầu của các cơ sở chế biến quy mô vừa và nhỏ. Độ chính xác phân loại dự kiến đạt trên 95%, một con số rất khả quan so với phương pháp thủ công. Việc áp dụng thành công hệ thống phân loại bằng hình ảnh không chỉ giải quyết bài toán phân loại theo kích thước mà còn mở ra khả năng phân loại theo màu sắc hoặc phát hiện khuyết tật trong tương lai. Lợi ích kinh tế mà hệ thống mang lại là rất rõ ràng: giảm chi phí nhân công, tăng năng suất, nâng cao chất lượng và sự đồng đều của sản phẩm. Điều này góp phần tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao giá trị gia tăng cho trái cam và tăng cường khả năng cạnh tranh trên thị trường. Đây là một minh chứng thuyết phục cho hiệu quả của việc ứng dụng cơ điện tử trong nông nghiệp.

5.1. Năng suất và độ chính xác của mô hình nghiên cứu

Các tính toán thiết kế cho thấy tốc độ các băng tải được đồng bộ hóa để đạt được năng suất mục tiêu. Cụ thể, xích tải phân loại có thể vận hành với tốc độ lên đến 0.5 m/s, cho phép xử lý một lượng lớn cam trong một giờ. Về độ chính xác, việc sử dụng camera công nghiệp độ phân giải cao (12MP) và thuật toán xử lý ảnh tiên tiến giúp giảm thiểu sai số trong việc đo đạc kích thước. Mặc dù tài liệu thừa nhận phương pháp xử lý ảnh vẫn còn sai số, nhưng với mục tiêu phân loại cam thành 4 nhóm kích thước chênh lệch nhau từ 7-10mm, độ chính xác 95% là hoàn toàn khả thi và đáp ứng tốt yêu cầu thực tế.

5.2. Lợi ích và khả năng tối ưu hóa quy trình sản xuất

Hệ thống tự động mang lại lợi ích kép: giảm chi phí và tăng chất lượng. Việc thay thế con người trong công đoạn nặng nhọc và lặp đi lặp lại giúp doanh nghiệp tiết kiệm một khoản chi phí nhân công đáng kể. Đồng thời, máy móc hoạt động với sự ổn định và chính xác cao hơn, giúp sản phẩm đầu ra đáp ứng tốt hơn các tiêu chuẩn chất lượng trái cây. Sự đồng bộ của dây chuyền từ khâu rửa đến phân loại giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thời gian chờ đợi giữa các công đoạn, đảm bảo cam được xử lý nhanh nhất có thể sau khi thu hoạch để giữ được độ tươi ngon. Đây là nền tảng để xây dựng các thương hiệu nông sản uy tín.

VI. Tương Lai Của Tự Động Hóa Nông Nghiệp Hệ Thống Phân Loại

Đề tài nghiên cứu này không chỉ dừng lại ở một mô hình cụ thể mà còn mở ra những hướng phát triển đầy hứa hẹn cho tương lai của ngành tự động hóa nông nghiệp tại Việt Nam. Những hạn chế của mô hình hiện tại, như việc chưa tích hợp hệ thống sấy hay sai số của xử lý ảnh 2D, chính là những cơ hội để cải tiến và nâng cấp. Tương lai của các hệ thống rửa và phân loại cam sẽ hướng tới sự thông minh và toàn diện hơn. Việc áp dụng các công nghệ mới như camera 3D có thể giúp tái tạo mô hình quả cam, từ đó không chỉ đo kích thước mà còn phát hiện các vết dập, thối hỏng hoặc hình dạng bất thường, những điều mà camera 2D khó thực hiện được. Ngoài ra, việc tích hợp công nghệ sục khí ozone trong quá trình rửa có thể giúp khử trùng và bảo quản nông sản tốt hơn. Xa hơn nữa, dữ liệu thu thập từ hệ thống phân loại có thể được phân tích để đưa ra những phản hồi ngược lại cho quá trình canh tác, giúp nông dân cải thiện chất lượng mùa vụ. Đây là bước đi quan trọng hướng tới một nền nông nghiệp thông minh và bền vững.

6.1. Hạn chế còn tồn tại và giải pháp khắc phục tiềm năng

Tài liệu nghiên cứu đã thẳng thắn chỉ ra một số hạn chế. Thứ nhất, mô hình chưa được chế tạo và chạy thử nghiệm thực tế để đánh giá mức độ sạch của cam sau khi rửa. Thứ hai, giải thuật xử lý ảnh 2D vẫn còn sai số và chưa thể phát hiện các khuyết tật về chất lượng bên trong hay các vết dập nát. Giải pháp tiềm năng là tiến hành chế tạo và thực nghiệm để hiệu chỉnh các thông số vận hành. Đồng thời, nghiên cứu sâu hơn về các thuật toán học máy và học sâu để nâng cao độ chính xác và khả năng nhận diện khuyết tật.

6.2. Hướng phát triển Tích hợp sấy khô và camera 3D

Hai hướng phát triển chính được đề xuất. Một là thiết kế thêm hệ thống sấy khô sau công đoạn rửa và trước khi phân loại. Điều này giúp loại bỏ độ ẩm bề mặt, ngăn ngừa nấm mốc phát triển và giúp camera hoạt động chính xác hơn. Hai là nâng cấp hệ thống thị giác máy tính bằng cách sử dụng camera 3D. Công nghệ này cho phép tái tạo lại toàn bộ bề mặt quả cam, giúp xác định thể tích, trọng lượng ước tính và đặc biệt là phát hiện các lỗi bề mặt như vết lõm, dập nát một cách hiệu quả. Việc này sẽ đưa hệ thống phân loại bằng hình ảnh lên một tầm cao mới, đáp ứng được những tiêu chuẩn xuất khẩu khắt khe nhất.