Thi công mô hình phân loại sản phẩm bằng mã QR code

Đồ án thi công mô hình phân loại sản phẩm bằng mã QR code - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Phạm Lê Duy Phương
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Thị Hồng Lam
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Thi công mô hình phân loại sản phẩm bằng mã QR code
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình phân loại sản phẩm bằng mã QR code

Đề tài thi công mô hình phân loại sản phẩm bằng mã QR code được triển khai tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Công trình do sinh viên Phạm Lê Duy Phương và Lưu Duy Thức thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thạc sĩ Lê Thị Hồng Lam. Mục tiêu trọng tâm là hoàn thiện hệ thống cơ điện tử tự động hóa. Cơ cấu này đáp ứng nhu cầu phân loại kiện hàng công nghiệp theo thời gian thực. Mô hình kết hợp hài hòa giữa cơ cấu cơ khí, thiết bị cảm biến và bộ điều khiển logic. Công nghệ mã QR code mang lại khả năng lưu trữ thông tin vượt trội so với mã vạch truyền thống. Dữ liệu mã hóa bao gồm chủng loại, xuất xứ và quy cách đóng gói. Bộ điều khiển lập trình PLC đảm nhận vai trò trung tâm điều phối toàn bộ chu trình làm việc. Thiết bị chấp hành khí nén thực hiện các chuyển động gắp, đẩy và chuyển hướng vật phẩm chính xác. Dự án phản ánh xu hướng ứng dụng chuyển đổi số vào hoạt động sản xuất thực tế. Hệ thống vận hành với tính ổn định cao, giảm thiểu sai sót do con người gây ra. Kết quả nghiên cứu cung cấp nền tảng thực nghiệm giá trị cho sinh viên ngành Tự động hóa.

1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán tự động hóa trong khâu xử lý hàng hóa kho vận. Mục tiêu cốt lõi là thiết kế hoàn chỉnh mô hình cơ khí thu nhỏ và lập trình điều khiển tự động. Hệ thống tích hợp camera quét mã QR code để trích xuất dữ liệu sản phẩm tức thời. Phạm vi thực nghiệm bao gồm việc chế tạo bàn máy, băng tải vận chuyển, cánh tay khí nén và tủ điện điều khiển. Đề tài xây dựng thuật toán kết nối giữa cảm biến quang học, bộ lập trình PLC và phần mềm giám sát. Quy trình vận hành được kiểm thử nghiêm ngặt tại phòng thí nghiệm. Các tiêu chí về độ chính xác và tính ổn định được đo đạc cụ thể. Kết quả chứng minh tính khả thi cao.

1.2. Ý nghĩa thực tiễn đối với đào tạo và sản xuất

Mô hình mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong đào tạo kỹ thuật tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Sinh viên được trực tiếp tham gia chu trình khép kín từ khâu tính toán tải trọng, gia công khung vỏ đến đấu nối thiết bị. Dự án gắn liền lý thuyết tự động hóa với bài toán thực tế của doanh nghiệp. Sinh viên làm chủ kỹ thuật lập trình PLC, điều khiển khí nén và xử lý hình ảnh công nghiệp. Đối với sản xuất, giải pháp phân loại sản phẩm bằng mã QR code giúp giảm chi phí nhân công đáng kể. Quy trình loại bỏ hoàn toàn hiện tượng nhầm lẫn mã hàng trên băng chuyền. Tốc độ lưu chuyển hàng hóa được đẩy nhanh.

II. Vấn đề thực tiễn của mô hình phân loại sản phẩm bằng mã QR code

Các phương thức phân loại sản phẩm truyền thống bộc lộ nhiều điểm hạn chế trong kỷ nguyên sản xuất tốc độ cao. Lao động thủ công thường xuyên xảy ra tình trạng mệt mỏi, dẫn đến việc đọc sai nhãn mác hoặc phân loại nhầm địa chỉ. Tốc độ thao tác bằng tay không thể bắt kịp công suất của dây chuyền đóng gói hiện đại. Ngoài ra, việc sử dụng mã vạch một chiều Barcode truyền thống chứa lượng dữ liệu quá ít. Mã vạch dễ bị rách, nhòe mực hoặc mất góc quét khiến cảm biến quang học đọc thất bại. Khi triển khai mô hình phân loại sản phẩm bằng mã QR code trong thực tế, các kỹ sư đối mặt nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Đầu tiên là hiện tượng trễ thời gian trong quá trình truyền dữ liệu giữa bộ đọc mã và bộ điều khiển trung tâm PLC. Băng chuyền chuyển động liên tục đòi hỏi camera phải lấy nét cực nhanh trong điều kiện ánh sáng thay đổi. Nếu thời gian xử lý ảnh vượt quá ngưỡng cho phép, vật phẩm sẽ trôi qua vị trí gắp của tay máy khí nén. Bên cạnh đó, áp suất khí nén không ổn định có thể khiến xylanh kẹp bị trượt tải hoặc làm móp méo vỏ hộp sản phẩm.

2.1. Hạn chế của công nghệ mã vạch 1D truyền thống

Mã vạch tuyến tính 1D sở hữu dung lượng lưu trữ rất hạn hẹp, thường chỉ chứa chuỗi ký tự số ngắn gọn. Khi doanh nghiệp cần mã hóa thông tin chi tiết như hạn sử dụng, số lô và xuất xứ, mã 1D không thể đáp ứng. Bề mặt nhãn 1D đòi hỏi góc quét thẳng góc với tia laser của đầu đọc. Nếu góc quét bị lệch hoặc bề mặt sản phẩm cong vênh, tỷ lệ đọc lỗi tăng vọt. Sự trầy xước vật lý làm đứt đoạn các vạch sọc, gây tê liệt chu trình tự động. Điều này dẫn đến sự gián đoạn băng tải và đòi hỏi con người can thiệp thủ công. Do đó, việc chuyển đổi sang công nghệ mã 2D đa chiều là giải pháp kỹ thuật cấp thiết.

2.2. Khó khăn trong tích hợp cơ khí và điều khiển

Sự phối hợp giữa cơ cấu khí nén và bộ điều khiển lập trình tiềm ẩn nhiều thách thức về cơ cấu động học. Hệ thống cánh tay phân loại bao gồm nhiều cụm xylanh trượt, xoay và kẹp hoạt động liên tiếp. Quán tính của cánh tay khi chuyển động với vận tốc cao dễ gây rung lắc mạnh trên khung bàn máy. Sự rung chấn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hình ảnh của camera quét mã. Đồng thời, việc tính toán áp suất khí nén cấp vào hệ thống phải đạt độ cân bằng lý tưởng. Áp suất quá nhỏ sẽ không đủ lực giữ sản phẩm khi quay. Ngược lại, áp suất quá lớn gây tiêu hao năng lượng và biến dạng vật phẩm. Việc tối ưu là yêu cầu then chốt.

III. Phương pháp thi công mô hình phân loại sản phẩm bằng mã QR code

Phương pháp thiết kế mô hình tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM dựa trên cấu trúc điều khiển phân tầng. Hệ thống chia thành ba khối chính: khối nhận diện dữ liệu, khối xử lý trung tâm PLC và khối cơ cấu chấp hành. Cụm nhận diện sử dụng cảm biến quang học kết hợp thuật toán giải mã QR code với độ phân giải cao. Khối điều khiển trung tâm vận hành theo chu kỳ quét thời gian thực khép kín: đọc tín hiệu đầu vào, thực thi chương trình nội bộ và cập nhật dữ liệu đầu ra. Về phần cơ cấu chấp hành cơ khí, nhóm nghiên cứu lựa chọn các dòng thiết bị khí nén chuyên dụng đạt chuẩn công nghiệp. Xylanh kẹp Airtac HFR16 tạo lực ép 10N ở áp suất 75 Psi để giữ chắc chắn phôi sản phẩm. Cụm chuyển động tịnh tiến sử dụng xylanh đẩy Airtac TN10x50s với hành trình 50mm, chịu tải trọng kéo đẩy từ 5kg đến 8kg. Xylanh nâng Airtac TN10x70s có hành trình 70mm, đảm bảo nâng toàn bộ cụm kẹp nặng 600 gram. Chuyển động xoay các hướng do xylanh góc HQR20 đảm nhiệm. Toàn bộ chu trình cơ khí được mô phỏng trước trên phần mềm 3D chuyên dụng.

3.1. Thuật toán điều khiển quét chu kỳ của PLC

Bộ điều khiển logic lập trình PLC hoạt động dựa trên cơ chế vòng lặp chu kỳ quét liên tục. Giai đoạn đầu tiên là quét đầu vào. Tại đây, PLC ghi nhận trạng thái từ cảm biến quang và cảm biến hành trình vào bộ đệm ảnh. Tiếp theo, bộ vi xử lý thực thi chương trình điều khiển bậc thang. Các điều kiện logic quyết định chính xác nhánh rẽ cho từng loại sản phẩm. Giai đoạn thứ ba là cập nhật đầu ra. Tín hiệu điện áp kích hoạt các cuộn hút của van điện từ điều khiển khí nén và rơ-le động cơ. Chu trình quét diễn ra trong vài mili-giây, bảo đảm phản hồi theo thời gian thực chuẩn xác nhất.

3.2. Tính toán lựa chọn cơ cấu chấp hành khí nén

Tính toán thông số cơ khí là tiền đề quyết định độ bền của toàn bộ hệ thống phân loại. Khối lượng xylanh kẹp Airtac HFR16 cùng phôi phẩm đo được là 300 gram. Xylanh đẩy ngang Airtac TN10x50s cung cấp lực đẩy 8kg và lực kéo 5kg, dễ dàng di chuyển cụm kẹp. Xylanh nâng hạ Airtac TN10x70s chịu tổng tải trọng 600 gram của toàn bộ cụm gắp. Hành trình nâng 70mm đáp ứng trọn vẹn không gian chuyển đổi vị trí giữa các khay chứa. Cụm xoay HQR20 được kiểm định biểu đồ mô-men xoắn, bảo đảm quay góc chuyển hướng êm ái. Toàn bộ kết cấu được mô phỏng kiểm tra ứng suất trước khi gia công.

IV. Đánh giá ứng dụng của mô hình phân loại sản phẩm bằng mã QR code

Đề tài tốt nghiệp thi công mô hình phân loại sản phẩm bằng mã QR code hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu. Quá trình vận hành thử nghiệm tại xưởng thực hành khẳng định độ tin cậy cơ khí và độ chính xác của thuật toán lập trình. Thời gian phản hồi của vòng lặp điều khiển đáp ứng tốt nhịp độ di chuyển của băng chuyền liên tục. Tỷ lệ quét nhận diện thành công mã QR code đạt mức tiệm cận tuyệt đối ngay cả khi nhãn hàng hóa bị xô lệch nhẹ. Hệ thống minh chứng tính ưu việt vượt trội trong việc tiết kiệm chi phí vận hành và quản lý kho vận thông minh. Mô hình có khả năng mở rộng linh hoạt quy mô để tích hợp vào các nhà máy sản xuất bánh kẹo, linh kiện điện tử hoặc dược phẩm. Ngoài ra, giao diện giám sát vận hành cho phép người quản lý thu thập dữ liệu thời gian thực và trích xuất báo cáo. Thành quả nghiên cứu của sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đóng góp giải pháp công nghệ thiết thực.

4.1. Hiệu quả vận hành và độ chính xác thực nghiệm

Kết quả đo kiểm thực nghiệm phản ánh năng suất làm việc vượt trội của hệ thống. Mô hình duy trì chu kỳ xử lý mỗi sản phẩm chỉ trong vài giây với độ ổn định cao. Cánh tay khí nén thực hiện trơn tru các tác vụ gắp, nâng, xoay và đặt phôi vào đúng vị trí chỉ định. Cơ cấu kẹp Airtac HFR16 cùng các xylanh dẫn hướng không xảy ra hiện tượng kẹt phôi hay trượt rơi vật phẩm. Dữ liệu quét từ cảm biến quang học truyền về khối PLC được xử lý trơn tru không gây nghẽn hàng. Hệ thống đạt độ chính xác phân loại cao trong các bài kiểm tra.

4.2. Hướng phát triển tích hợp IoT và nhà kho thông minh

Tiềm năng phát triển của mô hình phân loại sản phẩm bằng mã QR code mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới. Hướng đi khả thi tiếp theo là tích hợp giao thức truyền thông công nghiệp IoT và điện toán đám mây. Hệ thống có thể truyền trực tiếp thông số kiểm kê lên cơ sở dữ liệu máy chủ trung tâm. Cán bộ quản lý dễ dàng giám sát sản lượng và tình trạng thiết bị từ xa qua giao diện web. Ngoài ra, việc kết hợp thuật toán trí tuệ nhân tạo AI sẽ tăng cường khả năng xử lý nhãn mờ. Mô hình hứa hẹn ứng dụng sâu rộng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu hướng phát triển của nền sản xuất công nghiệp, tự động hóa đóng vai trò then chốt trong việc giảm thiểu sự phụ thuộc vào lao động thủ công, duy trì tính ổn định của quy trình vận hành và nâng cao an toàn lao động. Trong các dây chuyền chế biến, đóng gói, bưu chính và kho vận logistics, khâu phân loại hàng hóa đóng vai trò quyết định đến tốc độ lưu chuyển sản phẩm. Việc ứng dụng công nghệ nhận dạng tự động, đặc biệt là mã phản hồi nhanh (QR code), cho phép lưu trữ và truy xuất nhiều thông tin sản phẩm như mã định danh, số lô, ngày sản xuất và thông số kỹ thuật. Nhằm tiếp cận và làm chủ các kỹ thuật tự động hóa thực tế từ khâu thiết kế cơ khí 3D, thi công mạch điều khiển đến lập trình tích hợp thị giác máy tính, nhóm tác giả Phạm Lê Duy Phương và Lưu Duy Thức, dưới sự hướng dẫn của Th.S Lê Thị Hồng Lam tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (khóa học 2024–2025), đã thực hiện đề tài "Thiết kế, thi công mô hình phân loại sản phẩm bằng mã QR code".

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể trong đồ án gồm:

1. Thiết kế và thi công mô hình hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã QR code hoạt động ổn định.
2. Đạt năng suất phân loại mục tiêu từ 3 đến 4 sản phẩm/phút.
3. Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh số để nhận diện, giải mã và phân loại sản phẩm dựa trên nhãn mã QR dán trên bao bì.
4. Xây dựng và điều khiển cánh tay truyền động khí nén thực hiện chu trình gắp sản phẩm từ băng tải và đặt chính xác vào giá/kệ chứa.
5. Tích hợp biến tần điều khiển động cơ băng tải nhằm thay đổi linh hoạt tốc độ di chuyển phù hợp với lưu lượng sản phẩm trên dây chuyền.

Nhiệm vụ nghiên cứu được giao theo tiến độ thực hiện (từ ngày 19/08/2024 đến ngày 06/01/2025) bao gồm 4 nội dung:

1. Thi công mô hình phần cứng cơ khí và tủ điện điều khiển.
2. Viết chương trình điều khiển trung tâm cho bộ điều khiển khả trình.
3. Thiết kế màn hình giám sát và giao diện vận hành hệ thống.
4. Chạy thử nghiệm thực tế, đo đạc, hiệu chỉnh và cải tiến mô hình.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống cơ điện tử phân loại sản phẩm tích hợp xử lý ảnh, PLC, biến tần và cánh tay khí nén. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian làm việc của cánh tay khí nén được giới hạn trong một vùng hình trụ có đường kính 500 mm và chiều cao hành trình 194 mm. Đối tượng thao tác trực tiếp là các kiện hàng dạng khối hộp chữ nhật có khối lượng tính toán ban đầu 0,05 kg (50 gram).

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên sự kết hợp liên ngành giữa cơ học truyền động khí nén, kỹ thuật điều khiển tự động công nghiệp và thị giác máy tính. Khung lý thuyết và công nghệ chính được tác giả phân tích và áp dụng bao gồm:

• Công nghệ mã vạch hai chiều (QR Code): Nghiên cứu cấu trúc hình học của mã QR theo chuẩn phát triển bởi Denso Wave (1994), bao gồm các mẫu định vị vị trí (Finder pattern ở ba góc), mẫu căn chỉnh (Alignment pattern), mẫu đồng bộ thời gian (Timing pattern), vùng thông tin định dạng (Format information) và ma trận dữ liệu tích hợp thuật toán sửa lỗi Reed-Solomon.
• Kỹ thuật xử lý ảnh số và thị giác máy tính: Quy trình nhận dạng mã QR bao gồm thu nhận ảnh qua camera, chuyển đổi không gian màu (RGB, HSV), lọc nhiễu ảnh (bộ lọc tuyến tính và phi tuyến), phân đoạn ảnh, phát hiện cạnh và trích xuất đặc trưng hình học để nhận diện vùng chứa mã và tiến hành giải mã ký tự. Công cụ thực thi là ngôn ngữ lập trình Python chạy trên môi trường phát triển PyCharm, khai thác thư viện xử lý ảnh nguồn mở OpenCV.
• Bộ điều khiển lập trình logic (PLC): Áp dụng nguyên lý làm việc theo chu kỳ quét vòng lặp kín (bao gồm quét tín hiệu đầu vào, thực thi chương trình điều khiển logic, cập nhật trạng thái đầu ra và tự kiểm tra lỗi) của dòng PLC Siemens SIMATIC S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC).
• Truyền thông công nghiệp PC – PLC: Sử dụng giao thức truyền thông mạng Modbus TCP qua cổng truyền thông Ethernet công nghiệp để truyền dữ liệu kết quả giải mã từ phần mềm giám sát trên máy tính (PC) xuống các thanh ghi nội bộ của PLC.
• Biến tần và điều khiển tốc độ động cơ: Sử dụng lý thuyết biến đổi tần số nguồn điện xoay chiều qua mạch chỉnh lưu, mạch lọc DC phẳng và nghịch lưu điều chế độ rộng xung (PWM) để thay đổi vô cấp tốc độ động cơ cảm ứng ba pha kéo băng tải.
• Cơ sở khí nén công nghiệp: Ứng dụng động học và động lực học chất khí nén để tính toán lực đẩy, lực kéo của xylanh tuyến tính, moment quay của xylanh xoay và lực kẹp của tay gắp cơ khí.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm phương pháp phân tích – tổng hợp tài liệu chuyên ngành; phương pháp tính toán cơ học để xác định kích thước, tải trọng và áp suất khí nén; phương pháp mô phỏng cơ khí 3D trên phần mềm SolidWorks; phương pháp thiết kế mạch điện và lập trình điều khiển; phương pháp thực nghiệm kiểm chứng từng phần và thực nghiệm tích hợp toàn hệ thống. Nguồn dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu là thông số kỹ thuật (datasheet) từ các hãng sản xuất thiết bị công nghiệp (Airtac, Siemens, Mitsubishi Electric, Oriental Motor), tiêu chuẩn giao thức Modbus TCP và thư viện mã nguồn mở OpenCV.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc tổng thể hệ thống

Hệ thống phân loại được thiết kế dạng module khép kín gồm bốn phân hệ chức năng:

1. Phân hệ vận chuyển: Băng tải con lăn/dây đai phẳng dẫn động bởi động cơ ba pha Oriental Motor World K Series (mã 51K60GE-SW2, công suất 60 W), kết nối qua biến tần Mitsubishi FR-D720.
2. Phân hệ thu thập và xử lý hình ảnh: Camera kỹ thuật số lắp cố định phía trên băng tải, kết nối với máy tính vận hành thông qua giao diện lập trình Python/OpenCV.
3. Phân hệ điều khiển trung tâm: Tủ điện chứa bộ điều khiển PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, bộ nguồn tổ ong chuyển đổi 220 VAC sang 24 VDC, hệ thống rơ-le đệm và các van điện từ khí nén 5/2.
4. Phân hệ chấp hành cơ khí: Cánh tay khí nén 3 bậc tự do đặt cạnh băng tải và giá kệ chứa hàng.

Thành phần hệ thống	Mã thiết bị / Quy cách kỹ thuật	Vai trò chức năng
Bộ điều khiển lập trình	Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC	Xử lý logic trung tâm, điều khiển cơ cấu chấp hành
Biến tần điều khiển	Mitsubishi Electric FR-D720	Thay đổi tần số dòng điện cấp cho động cơ băng tải
Động cơ kéo băng tải	World K Series 51K60GE-SW2 (60 W, 3 pha)	Dẫn động dây đai chuyển hàng hóa qua buồng quét
Xylanh xoay đế	Airtac HQR20 (dạng thanh răng - bánh răng)	Xoay toàn bộ cơ cấu cánh tay một góc cố định 180°
Xylanh vươn ngang	Airtac TN10x50s (hành trình 50 mm)	Đẩy đầu kẹp vươn dài ra vị trí tâm phôi trên băng tải
Xylanh nâng hạ	Airtac TN10x70s (hành trình 70 mm)	Nâng và hạ cụm kẹp phôi theo phương thẳng đứng
Tay gắp kẹp phôi	Airtac HFR16	Kẹp giữ và nhả khối hộp sản phẩm
Cảm biến phát hiện	Cảm biến tiệm cận & Cảm biến từ vị trí Airtac	Xác định vị trí sản phẩm và cữ hành trình xylanh

Phân tích và lựa chọn phương án cơ cấu khí nén

Tác giả đã tiến hành so sánh kỹ thuật giữa các giải pháp truyền động trước khi đưa vào thi công thực tế:

Cụm cơ cấu	Phương án cân nhắc	Phân tích ưu - nhược điểm	Phương án được lựa chọn
Cơ cấu xoay đế	- Phương án 1: Xylanh cánh gạt - Phương án 2: Xylanh bánh răng - thanh răng	Cánh gạt nhỏ gọn nhưng chỉ chịu tải nhỏ và góc xoay hạn chế. Cơ cấu bánh răng - thanh răng chịu tải trọng lớn, vận hành đầm chắc khi mang toàn bộ cụm xylanh phía trên.	Phương án 2 (Airtac HQR20): Đảm bảo chịu tải vững chắc và quay chính xác góc 180° giữa băng tải và kệ.
Cơ cấu nâng và vươn	- Phương án 1: Xylanh khí nén thẳng - Phương án 2: Bộ truyền trục vít - me	Trục vít - me điều khiển linh hoạt tọa độ nhưng kết cấu phức tạp, chi phí cao. Xylanh khí nén gọn nhẹ, dễ lắp đặt, điều khiển đóng cắt nhanh qua van 5/2.	Phương án 1 (Airtac TN series): Phù hợp với không gian làm việc có hai điểm dừng cố định tại hai đầu hành trình.
Cơ cấu gắp giữ vật	- Phương án 1: Tay kẹp khí nén - Phương án 2: Giác hút chân không	Giác hút chân không đòi hỏi bề mặt sản phẩm tuyệt đối phẳng và kín khí, hệ thống tạo chân không phức tạp. Tay kẹp tạo lực kẹp cơ học chắc chắn cho khối hộp.	Phương án 1 (Airtac HFR16): Đảm bảo giữ chặt hộp carton có khối lượng 0,05 kg không bị trượt rơi khi di chuyển.

Tính toán thông số kỹ thuật cơ khí

• Tính chọn tay kẹp: Với khoảng cách từ điểm kẹp đến tâm vật kẹp $L = 40\text{ mm}$ (tính toán ở biên độ làm việc đến 50 mm) và khối lượng phôi $m = 0,05\text{ kg}$, trọng lượng vật là: $$P = m \cdot g = 0,05 \cdot 9,8 = 0,49\text{ N}$$ Theo nguyên lý an toàn trong gắp phôi khí nén, lực kẹp yêu cầu cần gấp 10 đến 20 lần trọng lượng vật ($F_{kep} \ge 4,9 \div 9,8\text{ N}$). Ở áp suất khí nén cấp 75 Psi (tương đương xấp xỉ 0,5 MPa), đồ thị lực kẹp của nhà sản xuất cho thấy xylanh Airtac HFR16 sinh ra lực kẹp 10 N tại khoảng cách 50 mm, đáp ứng điều kiện làm việc.
• Tính chọn xylanh vươn (Airtac TN10x50s): Cơ cấu trượt mang theo cụm tay kẹp và phôi với tổng khối lượng $m \approx 300\text{ g}$. Tại áp suất cấp khí danh định, xylanh đường kính nòng 10 mm cho lực đẩy danh định đạt tương đương 8 kg và lực kéo về đạt 5 kg, vượt tải trọng thực tế, hành trình 50 mm đáp ứng phạm vi tiếp cận tâm băng chuyền.
• Tính chọn xylanh nâng hạ (Airtac TN10x70s): Khối lượng toàn bộ cụm chuyển động treo (gồm xylanh kẹp, xylanh vươn và phôi) khoảng $m \approx 600\text{ g}$. Xylanh hành trình 70 mm cung cấp khả năng nâng tải đến 5 kg ở hành trình kéo và 8 kg ở hành trình đẩy, đáp ứng chiều cao gắp đặt phôi vào giá đỡ.
• Tính chọn xylanh xoay (HQR20): Căn cứ biểu đồ moment quán tính và moment xoay tại áp suất cấp của hệ thống, dòng HQR20 đảm bảo mang toàn bộ kết cấu có khối lượng hơn 1 kg xoay góc 180° mà không xảy ra hiện tượng rung lắc hay lệch hành trình.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương mở đầu tập trung khái quát vai trò của tự động hóa công nghiệp và các dây chuyền sản xuất hiện đại. Tác giả phân tích sự cần thiết của các hệ thống phân loại tự động kết hợp cánh tay robot và xử lý ảnh nhằm giải phóng sức lao động, nâng cao tính chính xác và an toàn. Trên cơ sở đó, tác giả nêu rõ lý do lựa chọn đề tài "Thi công mô hình phân loại sản phẩm bằng mã QR code", xác định các mục tiêu cụ thể (năng suất 3–4 sản phẩm/phút, hệ thống chạy ổn định, biến tần điều chỉnh tốc độ, nhận diện qua QR), đồng thời xác định phạm vi và giới hạn kỹ thuật của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này cung cấp hệ thống lý thuyết phục vụ cho việc tính toán và thiết kế:

• Tổng hợp các phương pháp phân loại hàng hóa công nghiệp (theo thông tin mã vạch/QR, theo khối lượng, màu sắc, kích thước) và ứng dụng trong các ngành sản xuất, logistics, thực phẩm, dược phẩm, tái chế.
• Trình bày chi tiết công nghệ mã QR (cấu trúc ma trận, các mẫu định vị, thuật toán sửa lỗi) và quy trình xử lý ảnh số (thu nhận, lọc nhiễu, chuyển đổi không gian màu RGB/HSV, phân đoạn ảnh, trích xuất đặc trưng).
• Giới thiệu cấu tạo, nguyên lý chu kỳ quét và tập lệnh của bộ điều khiển khả trình PLC; các ngôn ngữ lập trình LD, FBD, IL, ST, SFC; nguyên lý truyền thông PC – PLC qua các chuẩn Modbus, Ethernet/IP, Profibus, Profinet.
• Phân tích nguyên lý hệ thống SCADA và cấu tạo, nguyên lý điều khiển tốc độ của biến tần (mạch chỉnh lưu, lọc DC, nghịch lưu PWM).
• Khái quát về ngôn ngữ lập trình Python, môi trường PyCharm, thư viện OpenCV và các module xử lý ảnh (core, imgproc, video, highgui).

Chương 3: Thiết kế cơ khí

Chương 3 trình bày các phương án và kết quả tính toán cơ khí cho hệ thống:

• Xây dựng ý tưởng và xác lập không gian làm việc dạng hình trụ bán kính/đường kính 500 mm, chiều cao 194 mm.
• Phân tích bảng so sánh ưu nhược điểm giữa các giải pháp: chọn xylanh xoay dạng bánh răng – thanh răng thay vì cánh gạt; chọn xylanh khí nén thẳng thay vì vit-me; chọn tay gắp kẹp cơ học thay vì giác hút chân không.
• Tính toán cơ học chi tiết dựa trên tải trọng phôi $m = 0,05\text{ kg}$, áp suất khí nén để chọn xylanh kẹp Airtac HFR16, xylanh vươn Airtac TN10x50s, xylanh nâng hạ Airtac TN10x70s và xylanh xoay HQR20.
• Xây dựng bản vẽ mô phỏng 3D hoàn chỉnh trên phần mềm SolidWorks cho cánh tay khí nén và băng tải công nghiệp; tính chọn động cơ World K Series 51K60GE-SW2 công suất 60 W cho phân hệ kéo băng tải.

Chương 4: Thiết kế hệ thống điện và điều khiển

Nội dung chương 4 tập trung vào việc thiết kế mạch điện, bố trí thiết bị và lập trình:

• Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống và sơ đồ kết nối chi tiết: nguồn tổ ong 24 VDC, PLC S7-1200 1214C, cảm biến tiệm cận, cảm biến vị trí Airtac, cụm van điện từ 5/2 và biến tần Mitsubishi FR-D720.
• Thiết lập bảng phân công địa chỉ đầu vào/đầu ra (I/O Map) cho PLC; thiết kế sơ đồ mạch khí nén điều khiển hệ thống xylanh.
• Lập trình giải thuật điều khiển trên PLC (ngôn ngữ Ladder) và xây dựng lưu đồ giải thuật hệ thống.
• Cài đặt các thông số vận hành trên biến tần Mitsubishi FR-D720 (tần số cơ bản, thời gian tăng/giảm tốc).
• Xây dựng chương trình Python trên PyCharm: khởi tạo camera, phát hiện và đọc dữ liệu từ mã QR, xử lý chuỗi và thiết lập kết nối truyền thông Modbus TCP để truyền trực tiếp tín hiệu phân loại xuống các ô nhớ của PLC.
• Thiết kế giao diện giám sát vận hành trên máy tính.

Chương 5: Kết quả và thực nghiệm

Tác giả trình bày kết quả thi công thực tế và số liệu kiểm nghiệm:

• Hình ảnh hoàn thiện của tủ điện điều khiển công nghiệp, khung băng tải và cánh tay robot khí nén thực tế.
• Kết quả thực nghiệm chương trình xử lý ảnh với bộ 3 mã QR mẫu được dán trên các hộp sản phẩm.
• Đánh giá khả năng hoạt động đồng bộ giữa băng tải, biến tần, camera và cánh tay gắp: hệ thống phân loại ổn định với năng suất thực nghiệm đạt từ 3 đến 4 sản phẩm/phút, đáp ứng đúng yêu cầu thiết kế ban đầu.

Chương 6: Kết luận và phát triển

Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được đối chiếu với mục tiêu ban đầu; chỉ ra những hạn chế còn tồn tại của hệ thống cơ khí và giải thuật; đề xuất các hướng nâng cấp và mở rộng mô hình để tiến gần hơn với tiêu chuẩn sản xuất công nghiệp.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

1. Chế tạo phần cứng hoàn chỉnh: Đã lắp ráp và kết nối vận hành thành công mô hình cơ khí gồm khung băng tải, cánh tay robot khí nén 3 bậc tự do và tủ điều khiển điện công nghiệp đạt tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật.
2. Năng suất phân loại: Hệ thống vận hành ổn định trong các chu kỳ lặp lại liên tục, đạt năng suất từ 3 đến 4 sản phẩm/phút.
3. Thị giác máy tính và truyền thông: Chương trình Python xử lý ảnh qua webcam/camera nhận diện và giải mã chính xác 3 mẫu mã QR khác nhau được lập trình sẵn; truyền nhận dữ liệu thông suốt qua giao thức Modbus TCP xuống PLC S7-1200 mà không gặp hiện tượng trễ tín hiệu hay gián đoạn chu kỳ quét.
4. Điều khiển truyền động: Biến tần Mitsubishi FR-D720 đáp ứng tốt việc điều chỉnh tần số, giúp thay đổi tốc độ băng tải phù hợp với mật độ sản phẩm di chuyển, giảm thiểu va đập cơ khí.

Đóng góp của đề tài

• Tích hợp thành công giải pháp thị giác máy tính mã nguồn mở chi phí thấp (Python, OpenCV) với hệ thống điều khiển công nghiệp tiêu chuẩn (PLC Siemens S7-1200) thông qua mạng truyền thông công nghiệp Modbus TCP. Giải pháp này giúp tiết kiệm chi phí đáng kể so với việc sử dụng các dòng camera công nghiệp (smart camera) chuyên dụng đắt tiền.
• Cung cấp tài liệu tính toán, lựa chọn khí nén và bản vẽ thiết kế 3D hoàn chỉnh trên SolidWorks, có thể sử dụng làm tài liệu thực hành và mô hình giảng dạy cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.

Giải pháp và kiến nghị tác giả đề xuất

• Cần bổ sung thêm bộ lọc tách nước và bộ điều áp chuyên dụng tại nguồn cấp khí nén để loại bỏ hoàn toàn hơi ẩm ngưng tụ, kéo dài tuổi thọ của các gioăng phốt bên trong xylanh Airtac.
• Lắp đặt thêm cảm biến quang hoặc cảm biến tiệm cận tại các ngăn trên giá chứa để cảnh báo tình trạng đầy hàng, tránh việc cánh tay gắp đè lên sản phẩm cũ.
• Tối ưu hóa thuật toán tiền xử lý ảnh trong môi trường chiếu sáng không đồng đều để tăng độ nhạy quét mã QR khi băng chuyền hoạt động ở tốc độ cao hơn.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của hệ thống

• Đặc tính truyền động khí nén: Khí nén có tính đàn hồi cao nên hệ thống rất khó kiểm soát vận tốc chuyển động một cách mượt mà và không thể dừng định vị ở các tọa độ trung gian dọc hành trình, chỉ hoạt động tại hai điểm đầu - cuối của xylanh.
• Rủi ro môi trường khí: Khí nén dễ tích tụ hơi nước và bụi bẩn nếu hệ thống cấp khí không có bộ sấy/lọc đạt chuẩn, gây nguy cơ kẹt van hoặc oxy hóa lòng xylanh sau thời gian dài sử dụng.
• Năng suất vận hành: Mức năng suất 3–4 sản phẩm/phút phù hợp với quy mô phòng thí nghiệm hoặc dây chuyền cỡ nhỏ, chưa đáp ứng được tốc độ của các dây chuyền đóng gói công nghiệp tốc độ cao.
• Xử lý ảnh: Độ ổn định của việc giải mã QR phụ thuộc nhiều vào điều kiện ánh sáng xung quanh buồng quét và độ sắc nét của mã dán trên sản phẩm khi di chuyển qua camera.

Hướng phát triển tiếp theo

• Nâng cấp cơ cấu cánh tay gắp từ xylanh khí nén sang hệ thống động cơ Servo hoặc động cơ bước (Step motor) kết hợp cơ cấu trục vít - me hoặc cánh tay robot đa bậc tự do (SCARA, Delta robot) nhằm kiểm soát chính xác vị trí, quỹ đạo chuyển động và gia tốc của cánh tay.
• Trang bị hệ thống chiếu sáng công nghiệp chuyên dụng (vòng đèn LED chiếu sáng vòng hoặc vòm) và camera công nghiệp có màn trập toàn khung (global shutter) để triệt tiêu hiện tượng nhòe ảnh khi sản phẩm chạy liên tục trên băng chuyền.
• Mở rộng chức năng phần mềm để đọc được đa dạng các loại mã vạch (Barcode 1D, DataMatrix 2D) và nhận diện phân loại kết hợp theo màu sắc, kích thước của sản phẩm.
• Phát triển giao diện SCADA hoàn chỉnh có chức năng lưu trữ dữ liệu sản xuất vào hệ quản trị cơ sở dữ liệu (SQL), tạo báo cáo thống kê sản lượng và cảnh báo sự cố từ xa qua mạng nội bộ.

---

Giá trị tham khảo

Khóa luận là nguồn tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật thực tế cho:

• Sinh viên các ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện – Điện tử đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp hoặc các dự án ứng dụng liên quan đến phân loại sản phẩm.
• Kỹ sư và người nghiên cứu tự động hóa: Những người cần triển khai mô hình tích hợp giữa thị giác máy tính chạy trên máy tính nhúng/PC (Python, OpenCV) với thiết bị điều khiển công nghiệp (PLC S7-1200) qua giao thức mạng Modbus TCP.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu trong tài liệu gồm:

• Toàn bộ phương pháp tính toán tải trọng, lực kẹp, lực nâng đẩy và moment xoay để lựa chọn linh kiện khí nén (Chương 3).
• Bản vẽ sơ đồ đấu nối điện chi tiết giữa PLC S7-1200 với biến tần Mitsubishi FR-D720, van khí nén và cảm biến tiệm cận (Chương 4).
• Quy trình kết nối truyền thông Modbus TCP và lưu đồ thuật toán phân loại tích hợp giữa Python và PLC (Chương 4).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển trung tâm và biến tần được sử dụng trong đồ án là những model nào?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC làm bộ xử lý logic trung tâm và biến tần Mitsubishi Electric dòng FR-D720 để điều khiển tốc độ động cơ kéo băng tải.

2. Cánh tay cơ khí sử dụng những dòng xylanh khí nén cụ thể nào để thao tác gắp sản phẩm?
Cánh tay sử dụng 4 cụm xylanh: xylanh xoay đế HQR20 (cơ cấu thanh răng – bánh răng, quay góc 180°), xylanh vươn ngang Airtac TN10x50s (hành trình 50 mm), xylanh nâng hạ Airtac TN10x70s (hành trình 70 mm) và cụm tay kẹp phôi Airtac HFR16.

3. Cơ chế giao tiếp và truyền nhận dữ liệu giữa chương trình xử lý ảnh trên máy tính và PLC S7-1200 được thực hiện bằng cách nào?
Dữ liệu ký tự giải mã từ mã QR được xử lý thông qua chương trình viết bằng Python (sử dụng thư viện OpenCV trên IDE PyCharm), sau đó truyền trực tiếp xuống bộ nhớ PLC S7-1200 thông qua giao thức truyền thông công nghiệp Modbus TCP chạy trên nền tảng mạng Ethernet.

4. Năng suất phân loại thực nghiệm của hệ thống đạt bao nhiêu sản phẩm trong một phút?
Kết quả thực nghiệm trên mô hình hoàn thiện ghi nhận năng suất phân loại đạt từ 3 đến 4 sản phẩm/phút với quy trình nhận diện, gắp và xếp sản phẩm vào giá đỡ diễn ra ổn định.

5. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn xylanh xoay dạng bánh răng – thanh răng thay vì dạng cánh gạt?
Nhóm tác giả lựa chọn xylanh xoay dạng bánh răng – thanh răng (HQR20) vì cơ cấu này có khả năng chịu được tải trọng uốn và tải trọng dọc trục lớn từ toàn bộ cụm cơ cấu xylanh nâng, vươn và tay kẹp phía trên, đồng thời cho phép quay vững chắc ở góc quay cố định 180°.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, thi công mô hình phân loại sản phẩm bằng mã QR code" của nhóm sinh viên Phạm Lê Duy Phương và Lưu Duy Thức đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đặt ra từ thiết kế cơ khí 3D trên SolidWorks, thi công phần cứng, lắp đặt tủ điện điều khiển đến lập trình tích hợp hệ thống. Công trình chứng minh tính hiệu quả của việc kết hợp giải pháp thị giác máy tính nguồn mở trên Python/OpenCV với bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 và hệ thống truyền động khí nén, biến tần Mitsubishi FR-D720 trong bài toán phân loại hàng hóa tự động. Mô hình vận hành ổn định với năng suất thực nghiệm đạt 3–4 sản phẩm/phút, đóng vai trò là tài liệu tham khảo kỹ thuật và mô hình thực hành giá trị cho sinh viên và kỹ sư ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Thiết kế hệ thống cơ khí Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển-điều khiển Chương 5: Kết quả và thực nghiệm Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Trong nội dung bài nghiên cứu, chúng ta sẽ thực hiện theo những mục tuần tự trên để đạt được những kết quả sau cùng.5 Giới hạn đề tài. Đề tài được giới hạn ở các công việc: - Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của đề tài - Thiết kế và mô phỏng 3D cho đề tài - Thi công phân cứng và phần điện cho mô hình - Viết chương trình điều khiển hệ thống - Viết chương trình xử lý ảnh để hệ thống phân loại sản phẩm - Chạy thực nghiệm mô hình và rút ra kết luận 4 CHƯƠNG 2.1 Các hệ thống phân loại trong công nghiệp.1 Khái niệm về hệ thống phân loại. Hệ thống phân loại sản phẩm là một hệ thống được áp dụng để phân loại các sản phẩm tùy theo một hoặc một số yêu cầu được đặt ra từ trước như: khối lượng, kích thước, màu sắc và các thông tin mã vạch như lô sản xuất, ngày sản xuất, model, … 2. Tên Hình ảnh Ứng dụng Phân loại theo Dùng để phân loại thông tin những sản phẩm có hiển thị thông tin trên sản phẩm như mã vạch, QR code Phân loại theo Dùng để phân loại khối lượng những sản phẩm có sự khác biệt về cân nặng.

Phân loại theo Dùng để phân loại màu sắc những sản phẩm có màu sắc khác biệt, hoặc một phần khác biệt 5 Phân loại theo Dùng để phân loại kích thước những sản phẩm khác nhau về kích thước của sản phẩm Bảng- 2. Các kiểu phân loại trong công nghiệp.3 Ứng dụng thực tiễn. - Ngành sản xuất: Tự động phân loại linh kiện, sản phẩm hoặc thành phẩm theo các tiêu chí như kích thước, hình dạng, trọng lượng và màu sắc, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong ngành công nghiệp sản xuất. - Quản lý kho và Logistics: Tự động phân loại, định vị và đánh giá hàng hóa trong quá trình quản lý kho và logistics, giảm thời gian xử lý, tăng độ chính xác và giảm rủi ro lỗi.

- Ngành thực phẩm và nông nghiệp: Phân loại rau củ quả, sản phẩm thực phẩm, hạt giống và thức ăn chăn nuôi, cải thiện hiệu quả chế biến và đáp ứng nhu cầu thị trường đa dạng. - Bưu chính và vận chuyển: Phân loại thư, bưu phẩm và kiện hàng dựa trên kích thước, trọng lượng và điểm đến, cải thiện hiệu quả giao hàng và quản lý bưu cục. - Ngành dược phẩm: Phân loại viên thuốc, chai lọ hoặc hộp dược phẩm theo quy trình sản xuất và đóng gói, đảm bảo chất lượng và tính chính xác. - Ngành tái chế và tái sử dụng: Phân loại và tách các loại vật liệu như nhựa, giấy, kim loại, nhôm trong quá trình tái chế và tái sử dụng, giúp giảm lãng phí và tái sử dụng nguyên liệu.2 Khái niệm hệ thống phân loại bằng mã QR code.

Hệ thống phân loại bằng mã QR là hệ thống tự động được áp dựng để phân loại các sản phẩm khác nhau dựa vào việc sử dụng camera để xác định sự khác biệt giữa các đoạn mã đọc từ mã QR code trên từng sản phẩm. Hệ thống sử dụng camera kết nối với máy chủ để gửi thông tin hình ảnh về và sau khi xử lý hình ảnh để cho ra mã code thì sẽ gửi tín hiệu để hệ thống làm việc.2 Nguyên lý hoạt động. Khi hệ thống được khởi động, băng chuyền hoạt động đưa sản phẩm di chuyển. Các cảm biến sẽ ghi nhận đường đi của sản phẩm trên băng chuyền.

Sản phẩm có gắn mã QR code di chuyển ngang qua camera để xác định mã của sản phẩm.