Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Cây mía (Saccharum officinarum) là cây trồng nông nghiệp có giá trị kinh tế quan trọng tại Việt Nam với diện tích canh tác khoảng 182.000 hecta, năng suất bình quân đạt từ 60 đến 70 tấn/ha và tổng sản lượng đạt xấp xỉ 12 triệu tấn/năm. Trong chuỗi cung ứng và phân phối mía tươi phục vụ ép nước hoặc tiêu dùng trực tiếp, mía sau thu hoạch thường được cắt thành từng đoạn ngắn nhằm thuận tiện cho quá trình vận chuyển. Tuy nhiên, khâu phân loại và đóng gói tại các cơ sở chế biến trong nước hiện nay chủ yếu thực hiện bằng phương pháp thủ công. Thao tác thủ công làm gia tăng chi phí nhân công, kéo dài thời gian đóng gói, kích thước sản phẩm không đồng đều và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn vệ sinh thực phẩm khi tiếp xúc trực tiếp bằng tay. Việc đầu tư các dây chuyền đóng gói ngoại nhập gặp trở ngại lớn do chi phí quá cao so với quy mô kinh tế của các cơ sở sản xuất nội địa.

Trước thực trạng đó, đồ án tốt nghiệp mã số CDT-53 với đề tài "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy đóng gói mía" do sinh viên Tạ Thanh Phát và Nguyễn Cẩm Như thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Vi Đô tại Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã được triển khai.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Tăng năng suất trong khâu sản xuất và đóng gói nông sản.
  2. Nâng cao chất lượng vệ sinh an toàn thực phẩm và đảm bảo độ chính xác về kích thước sản phẩm cắt khúc (cố định 260 mm).
  3. Giảm thiểu chi phí nhân công lao động trực tiếp và nâng cao mức độ tự động hóa, tính ổn định cho dây chuyền sản xuất.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định:

  1. Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy đóng gói mía tự động theo đúng các thông số kích thước yêu cầu, sử dụng bộ điều khiển PLC và màn hình giám sát HMI.
  2. Xây dựng cấu trúc băng tải kết hợp thuật toán xử lý xung từ Encoder và cảm biến quang để đo chiều dài mía, phân loại sản phẩm đạt chuẩn.
  3. Tính toán vị trí, kết cấu và lực đẩy của hệ thống xy lanh khí nén phục vụ việc lùa mía và xếp thành từng lớp.
  4. Tính toán, thiết kế cơ cấu vít me bi kết hợp động cơ AC Servo cho bộ phận nâng hạ thùng chứa theo từng lớp mía.
  5. Thi công tủ điện điều khiển, lập trình điều khiển hệ thống và tiến hành thử nghiệm, đánh giá thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Máy đóng gói cây mía tự động vào thùng chứa theo đúng số lượng cây trên mỗi lớp và số lớp quy định.
  • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu áp dụng cho nguồn nguyên liệu mía đã qua thu hoạch, được cắt thành các đoạn ngắn có kích thước ban đầu xấp xỉ 30 cm; hệ thống thực hiện đo và chọn các đoạn mía đạt chuẩn chiều dài cố định 260 mm, đường kính từ 15 mm đến 20 mm, khối lượng tối đa 500 g/cây; quy cách đóng gói xác định là 4 cây trên 1 lớp và 3 lớp trong 1 thùng chứa (tổng cộng 12 cây/thùng).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng giải pháp kỹ thuật dựa trên nền tảng tích hợp cơ điện tử giữa cơ cấu chấp hành cơ khí, truyền động điện chính xác, hệ thống khí nén và bộ điều khiển logic khả trình công nghiệp:

  • Bộ điều khiển lập trình: PLC Mitsubishi FX5U-64MT/ES sử dụng nguồn cấp 100-240 VAC, bộ nhớ chương trình 64K Steps, 32 ngõ vào số, 32 ngõ ra số kiểu Transistor (Sink), tích hợp sẵn 2 ngõ vào tương tự và 1 ngõ ra tương tự, hỗ trợ 8 kênh đếm tốc độ cao và phát xung điều khiển vị trí 4 trục độc lập.
  • Hệ thống điều khiển truyền động chính xác: Bộ khuếch đại Servo MR-J4-40A (điện áp định mức 3 pha 170 VAC, dòng định mức 2.8 A, hỗ trợ độ phân giải bộ mã hóa 22-bit) kết hợp với động cơ Servo HG-KR43B để dẫn động cơ cấu nâng hạ.
  • Thiết bị đo lường và phản hồi: Bộ mã hóa xung vòng quay tương đối (Incremental Encoder) kết hợp cảm biến quang hồng ngoại và cảm biến tiệm cận để tính toán vị trí, tốc độ và xác định chiều dài thực tế của thanh mía.
  • Hệ thống dẫn động cơ khí: Cơ cấu trục vít me bi (Ball screw) kết hợp ray trượt dẫn hướng tuyến tính (Linear guide) nhằm chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến dọc trục, đảm bảo khả năng chịu tải và độ chính xác lặp lại khi nâng hạ bàn chứa thùng.
  • Hệ thống khí nén: Van điện từ khí nén 5/2 cùng hệ thống xy lanh tác động kép thực hiện nhiệm vụ gạt mía, gom mía thành hàng và đẩy toàn bộ lớp mía vào thùng chứa.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai qua các bước:

  1. Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Khảo sát đặc tính vật lý, hình học của cây mía sau thu hoạch; nghiên cứu các dây chuyền đóng gói thực phẩm trong nước và quốc tế để đề xuất cấu trúc máy phù hợp.
  2. Phương pháp tính toán thiết kế cơ khí và động lực học: Áp dụng định luật cơ học Newton và phương trình ma sát để xác định tải trọng đẩy của xy lanh khí nén; áp dụng phương pháp giải tích để tính toán chọn công suất động cơ băng tải Wanshin dựa trên lực cản ổ lăn, trọng lượng băng tải và công suất gạt sản phẩm; tính toán độ bền và tải trọng nâng hạ cho trục vít me bi.
  3. Phương pháp mô hình hóa và thiết kế 3D: Thiết kế toàn bộ kết cấu khung máy, băng tải, bàn xếp và cụm nâng hạ trên phần mềm thiết kế cơ khí 3D trước khi gia công.
  4. Phương pháp xây dựng thuật toán điều khiển: Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển phân tầng bao gồm: quy trình hiệu chuẩn thông số (Calibration), thuật toán tính chiều dài bằng Encoder, quy trình điều khiển vị trí bàn nâng hạ bằng Servo và chương trình cảnh báo lỗi (Alarm).
  5. Phương pháp thực nghiệm: Gia công chế tạo mô hình thực tế, lắp ráp tủ điện, đấu nối thiết bị và chạy thử nghiệm đo đạc các thông số vận hành (thời gian chu trình, độ chính xác kích thước, độ ổn định của cơ cấu).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy đóng gói mía được thiết kế dạng tổ hợp cơ điện tử hoàn chỉnh, bao gồm các cụm chức năng chính được tính toán và đồng bộ hóa:

Cụm chức năng Kích thước / Quy cách thiết kế Thiết bị và thông số kỹ thuật chính
Tổng thể máy 1000 x 700 x 600 mm Khung nhôm định hình chịu lực, tủ điện điều khiển tích hợp
Băng tải cấp mía Chiều dài: 800 mm
Bề rộng: 100 mm
Chu vi dây đai: 1374 mm		 - Khoảng cách 2 trục roller: 640 mm (đường kính roller $D = 30\text{ mm}$)
- Động cơ truyền động đai Wanshin ($P = 187\text{ W}$, tốc độ quay 320 vòng/phút)
- Tích hợp 2 cảm biến quang cách nhau 370 mm và 1 Incremental Encoder
Bàn xếp mía Khung bàn: 340 x 740 x 580 mm
Mặt bàn Mica: 340 x 520 mm		 - Xy lanh xếp lớp: Đường kính $D = 5\text{ mm}$, hành trình $200\text{ mm}$
- Xy lanh đẩy mía vào thùng: Đường kính $D = 10\text{ mm}$, hành trình $400\text{ mm}$
Khung nâng hạ thùng Khung ngoài: 460 x 340 x 600 mm
Bàn nâng: 270 x 320 x 2 mm
Bàn trượt nhôm: 230 x 630 x 6 mm		 - Cặp ray trượt vuông tuyến tính dài 520 mm
- Cơ cấu trục vít me bi dẫn động
- Động cơ AC Servo HG-KR43B điều khiển bởi Driver MR-J4-40A (400 W)
- Thùng chứa quy chuẩn: 250 x 250 x 300 mm

Quá trình so sánh và lựa chọn giải pháp hệ thống được tiến hành giữa hai phương án:

Tiêu chí Phương án 1 (Phương án lựa chọn) Phương án 2 (Phương án xem xét)
Cơ cấu đo kích thước Băng tải kết hợp Encoder và cảm biến quang Băng tải kết hợp Encoder và cảm biến quang
Cơ cấu bàn xếp mía Bàn phẳng sử dụng xy lanh khí nén gạt và gom mía Khay chia ngăn dịch chuyển từng vị trí bằng động cơ Servo
Cơ cấu đóng gói vào thùng Xy lanh đẩy toàn bộ lớp mía vào thùng, nâng hạ thùng bằng Vít me bi + AC Servo Cơ cấu khay đóng mở bằng xy lanh, thả rơi tự do theo rãnh dẫn hướng
Ưu điểm Chi phí gia công hợp lý, thời gian đáp ứng nhanh, kết cấu vững chắc, dễ bảo trì Khả năng định vị từng cây rất cao, hạn chế va quẹt thân mía
Nhược điểm Cơ cấu gạt mía bằng xy lanh phụ thuộc vào kích thước đường kính mía Chi phí đầu tư thiết bị rất cao, kết cấu cơ khí phức tạp, thời gian thiết kế và thi công kéo dài

Kết quả tính toán động lực học cho các cơ cấu chấp hành:

  • Xy lanh gạt mía và xếp lớp: Khối lượng 1 cây mía cực đại $m = 0{,}5\text{ kg}$ ($P = 4{,}9\text{ N}$). Hệ số ma sát lăn $\mu = 0{,}1$. Lực ma sát $F_{ms} = 0{,}49\text{ N}$. Áp suất khí nén vận hành $p = 5\text{ bar} = 0{,}5\text{ N/mm}^2$. Đường kính piston tính toán yêu cầu $D > 3{,}6\text{ mm} \rightarrow$ Lựa chọn xy lanh đường kính $D = 5\text{ mm}$.
  • Xy lanh đẩy cả lớp mía vào thùng: Khối lượng 4 cây mía $m = 2\text{ kg}$ ($P = 19{,}6\text{ N}$). Hệ số ma sát trượt giữa mía và mặt bàn Mica $\mu = 0{,}7$. Lực ma sát trượt $F_{ms} = 13{,}72\text{ N}$. Đường kính piston tính toán yêu cầu $D > 7{,}13\text{ mm} \rightarrow$ Lựa chọn xy lanh đường kính $D = 10\text{ mm}$.
  • Động cơ băng tải: Tải trọng phân bố $W_m = 6{,}25\text{ kg/m}$, vận tốc $V = 0{,}503\text{ m/phút}$, công suất làm việc tổng hợp $P_{lv} = P_1 + P_2 + P_3 + P_t = 1{,}45\cdot 10^{-5} + 1{,}59\cdot 10^{-5} + 0 + 0{,}1875 \approx 187\text{ W}$, tốc độ quay trục động cơ $N_{motor} = 320\text{ vòng/phút}$.

Kiến trúc điều khiển và giải thuật hệ thống:

  1. Quy trình Calibration: Khi khởi động, băng tải chạy không tải đưa vật chuẩn qua 2 cảm biến quang lắp cách nhau 370 mm. Tín hiệu xung từ Encoder gửi về ngõ vào đếm tốc độ cao của PLC để tính toán chính xác hệ số quy đổi xung sang chiều dài (xung/mm).
  2. Quy trình phân loại và cấp phôi: Mía được nạp vào băng tải. Khi đầu mía che cảm biến thứ nhất, bộ đếm tốc độ cao bắt đầu đếm số xung; khi đuôi mía rời khỏi cảm biến, PLC chốt giá trị xung và tính ra chiều dài thực tế $L$. Nếu $L = 260\text{ mm}$ (nằm trong ngưỡng dung sai cài đặt), khi mía đi tới vị trí cách cảm biến 2 một khoảng 150 mm, xy lanh cấp phôi sẽ kích hoạt đẩy mía sang bàn xếp. Nếu kích thước không đạt, mía tiếp tục trôi về cuối băng tải vào khay loại.
  3. Quy trình xếp lớp và đóng thùng: Mía được lùa vào bàn gom. Cứ mỗi lần nhận mía, xy lanh xếp lớp thực hiện gom mía và cảm biến tiệm cận đếm số lượng. Khi đủ 4 cây trên bàn xếp, xy lanh đẩy thùng (hành trình 400 mm) đẩy toàn bộ lớp mía vào trong thùng chứa.
  4. Quy trình điều khiển bàn nâng hạ: Sau khi lớp mía được đẩy vào thùng, PLC phát lệnh điều khiển Driver Servo MR-J4-40A quay trục vít me hạ bàn nâng xuống một khoảng cách xác định tương ứng với đường kính lớp mía. Quá trình lặp lại cho đến khi đủ 3 lớp (12 cây). Sau đó, cơ cấu đẩy thùng hoàn tất đưa thùng ra ngoài và động cơ Servo quay ngược chiều đưa bàn nâng về vị trí gốc (Home).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa khâu đóng gói mía trong ngành nông nghiệp chế biến thực phẩm tại Việt Nam. Nêu rõ ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài trong việc giải phóng sức lao động, giảm thiểu rủi ro nhiễm khuẩn và nâng cao năng suất. Xác định rõ mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, các phương pháp tiếp cận và kết cấu tổng thể 7 chương của đồ án tốt nghiệp.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Tập trung giới thiệu đặc tính sinh học, kích thước, hàm lượng đường và vùng phân bố của cây mía (Saccharum officinarum). Phân tích tổng quan tình hình sản xuất và công nghệ đóng gói mía trong nước (chủ yếu là đóng gói thủ công hoặc hút chân không bán tự động quy mô nhỏ) và ngoài nước (các hệ thống máy đóng gói mía màng co hút chân không Stretch Film Vacuum Packing Machine, máy gọt và đóng gói tự động tại châu Âu, Trung Quốc). Từ đó làm rõ cơ sở cho việc chế tạo thiết bị phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Trình bày cơ sở lý thuyết về các thiết bị và công nghệ được sử dụng trong đồ án:

  • Cấu trúc, đặc tính kỹ thuật, sơ đồ chân và ưu điểm phát xung điều khiển vị trí của PLC Mitsubishi FX5U-64MT/ES.
  • Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển Driver AC Servo MR-J4-40A.
  • Phân loại, nguyên lý tạo xung và giải thuật đọc tín hiệu của bộ mã hóa Incremental Encoder.
  • Kết cấu, nguyên lý truyền động và ưu điểm về độ êm, độ chính xác của cơ cấu nâng hạ trục vít me bi (Ball screw).
  • Cấu tạo, ưu điểm chịu tải trọng 4 hướng và đặc tính chống rung lắc của cơ cấu ray trượt vuông dẫn hướng tuyến tính.

Chương 4: Phương pháp và các giải pháp hệ thống

Xác định các yêu cầu kỹ thuật chi tiết của đề tài về độ chính xác đo chiều dài (260 mm), quy cách đóng gói (4 cây/lớp, 3 lớp/thùng), tốc độ và độ an toàn vận hành. Đưa ra sơ đồ khối hệ thống tổng quát. Trình bày chi tiết, lập bảng phân tích ưu nhược điểm của 2 phương án thiết kế hệ thống và luận giải lý do lựa chọn Phương án 1 (băng tải tích hợp Encoder, xếp lớp bằng xy lanh khí nén, nâng hạ thùng bằng vít me bi kết hợp AC Servo). Xác lập trình tự 10 bước tiến hành nghiên cứu, thi công và thử nghiệm.

Chương 5: Tính toán, thiết kế hệ thống

Đi sâu vào tính toán kỹ thuật và thiết kế chi tiết cho toàn bộ phần cứng hệ thống:

  • Thiết kế 3D và tính toán kích thước các cụm cơ khí: cụm băng tải cấp mía ($L_{Roller} = 640\text{ mm}$, $D_{Roller} = 30\text{ mm}$, khoảng cách cảm biến $370\text{ mm}$), khung bàn xếp mía ($340 \times 740 \times 580\text{ mm}$, mặt mica $340 \times 520\text{ mm}$), cụm khung nâng hạ ($460 \times 340 \times 600\text{ mm}$, bàn nâng $270 \times 320\text{ mm}$, ray trượt $520\text{ mm}$).
  • Tính toán động lực học khí nén: lựa chọn xy lanh cấp phôi $D = 5\text{ mm}$ (hành trình 200 mm) và xy lanh đẩy vào thùng $D = 10\text{ mm}$ (hành trình 400 mm) ở áp suất 5 bar.
  • Tính toán công suất động cơ băng tải theo phương pháp tra lực cản ma sát và công suất gạt sản phẩm ($P_{lv} = 187\text{ W}$, tốc độ 320 vòng/phút).
  • Tính toán lựa chọn cơ cấu vít me bi và động cơ AC Servo HG-KR43B kết hợp Driver MR-J4-40A.
  • Thiết kế mạch điện: thiết bị bảo vệ MCB, bộ nguồn 24 VDC, sơ đồ đấu nối mạch động lực, mạch điều khiển PLC FX5U, van điện từ 5/2, cảm biến quang và Encoder.

Chương 6: Thiết kế điều khiển

Trình bày chi tiết các giải thuật lập trình điều khiển hệ thống trên nền tảng PLC:

  • Lưu đồ giải thuật quy trình hiệu chuẩn thông số Calibration băng tải.
  • Lưu đồ giải thuật tính toán chiều dài mía dựa trên xung đếm tốc độ cao từ Encoder.
  • Lưu đồ giải thuật điều khiển phân loại và kích hoạt cơ cấu gạt mía.
  • Lưu đồ giải thuật gom mía và xếp đủ 4 cây trên bàn xếp.
  • Lưu đồ giải thuật điều khiển vị trí động cơ Servo cho cơ cấu vít me nâng hạ thùng theo 3 lớp mía và hồi vị Home.
  • Lưu đồ giải thuật xử lý ngắt và cảnh báo sự cố (Alarm).

Chương 7: Chế tạo thử nghiệm, đánh giá

Mô tả quá trình thi công thực tế các cụm cơ khí, lắp ráp tủ điện điều khiển và tích hợp hệ thống. Tiến hành các đợt thực nghiệm vận hành hệ thống, đo đạc sai số chiều dài mía thực tế, đánh giá độ ổn định của cơ cấu lùa mía và bàn nâng hạ. Đo đạc thời gian thực hiện chu trình đóng gói hoàn chỉnh và xây dựng bản hướng dẫn vận hành máy an toàn.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm thực tế

Thông số đánh giá Kết quả đạt được từ mô hình thực nghiệm
Thời gian chu trình hoàn chỉnh Khoảng 35 giây / chu trình đóng gói 1 thùng
Quy cách đóng gói Đạt chính xác 4 cây/lớp và 3 lớp/thùng (tổng số 12 cây/thùng)
Kích thước chiều dài sản phẩm Cố định chính xác ở mức 260 mm (loại bỏ các thanh ngắn hoặc dài hơn quy chuẩn)
Chất lượng sắp xếp Mía được gom ngay ngắn, xếp khít thành lớp và đẩy gọn gàng vào lòng thùng
Hiệu suất vận hành Tốc độ đóng gói tự động nhanh hơn gấp 1,5 lần so với phương pháp thủ công thực tế

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Hoàn thiện hệ thống cấp phôi tự động ở đầu vào để giảm thiểu hoàn toàn sự can thiệp của con người trước khi mía lên băng tải.
  • Bố trí thêm cơ cấu căn chỉnh góc nghiêng của cây mía trên băng tải để đảm bảo chùm tia cảm biến quang luôn vuông góc với trục thân mía, triệt tiêu sai số đo chiều dài.
  • Tối ưu hóa áp suất khí nén và gắn giảm chấn cho các xy lanh hành trình dài (400 mm) nhằm nâng cao tuổi thọ cơ cấu cơ khí khi vận hành liên tục.

Đóng góp của công trình

  • Thiết kế, chế tạo thành công một mô hình máy đóng gói nông sản tự động chuyên biệt cho cây mía với chi phí gia công thấp, đáp ứng khả năng ứng dụng thực tế cho các cơ sở chế biến quy mô vừa và nhỏ.
  • Xây dựng thành công thuật toán kết hợp giữa cảm biến quang và bộ mã hóa xung Encoder tốc độ cao để đo kích thước và phân loại sản phẩm liên tục trên băng tải chuyển động.
  • Ứng dụng đồng bộ giải pháp điều khiển vị trí chính xác của động cơ Servo kết hợp vít me bi vào việc phân lớp đóng gói tự động, tạo tiền đề nâng cấp các dây chuyền tự động hóa thực phẩm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:

    • Nguồn nguyên liệu đầu vào yêu cầu phải được cắt sơ bộ thành các thanh có kích thước tương đồng khoảng 30 cm trước khi đưa lên băng tải đo chính xác.
    • Độ chính xác khi tính toán chiều dài bằng thuật toán xung Encoder chịu ảnh hưởng nếu tốc độ băng tải bị thay đổi đột ngột ngoài dải vận tốc đã hiệu chuẩn (Calibration).
    • Kết cấu bàn gom mía bằng xy lanh hành trình cố định nên chưa có tính linh hoạt cao nếu đường kính cây mía có sự dao động quá lớn ngoài dải 15–20 mm.

  • Hướng nghiên cứu tiếp:

    • Nghiên cứu tích hợp hệ thống xử lý ảnh công nghiệp (Machine Vision) để đo lường đồng thời chiều dài, đường kính và phát hiện khuyết tật bề mặt của cây mía.
    • Tích hợp thêm module đóng thùng carton tự động, cơ cấu gập nắp và dán băng keo hoàn chỉnh ở ngõ ra.
    • Mở rộng nghiên cứu kết hợp cơ cấu đóng gói màng hút chân không tự động trực tiếp trên dây chuyền nhằm kéo dài thời gian bảo quản mía sau đóng gói.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật đối với:

  • Đối tượng sử dụng: Sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo máy, Tự động hóa và Công nghệ Thực phẩm đang nghiên cứu thiết kế các thiết bị tự động hóa phân loại, đóng gói sản phẩm nông nghiệp.
  • Nội dung tham khảo nổi bật:
    • Phương pháp tính toán công suất động cơ kéo băng tải phẳng kết hợp cơ cấu gạt sản phẩm theo tiêu chuẩn kỹ thuật (Chương 5).
    • Thuật toán đọc xung Encoder tốc độ cao để đo kích thước phôi động và quy trình hiệu chuẩn hệ số xung/mm trên PLC Mitsubishi dòng FX5U (Chương 5, Chương 6).
    • Phương pháp thiết kế, tính chọn động cơ AC Servo và kết cấu trục vít me bi dẫn hướng tuyến tính trong các bài toán nâng hạ tải trọng chính xác (Chương 3, Chương 5).

Câu hỏi thường gặp

1. Máy đóng gói mía trong đồ án áp dụng cho loại nguyên liệu nào và quy cách đóng gói ra sao?

Hệ thống được thiết kế cho nguồn nguyên liệu mía đã qua thu hoạch, cắt ngắn sơ bộ khoảng 30 cm, đường kính từ 15 đến 20 mm và khối lượng tối đa 500 g mỗi thanh. Quy cách đóng gói thành phẩm là các đoạn mía đạt chuẩn chiều dài cố định 260 mm, được xếp thành 4 cây trên một lớp và 3 lớp trong một thùng chứa (kích thước thùng 250 x 250 x 300 mm), tương ứng tổng số 12 cây/thùng.

2. Nguyên lý đo chiều dài và phân loại mía trên băng tải hoạt động như thế nào?

Băng tải tích hợp 1 bộ mã hóa xung (Incremental Encoder) và 2 cảm biến quang cách nhau 370 mm. Trước khi vận hành, hệ thống chạy quy trình Calibration để xác định hệ số xung trên mỗi milimét di chuyển. Khi vận hành, khi đầu mía chạm cảm biến, PLC FX5U kích hoạt bộ đếm tốc độ cao đọc số xung cho đến khi đuôi mía đi qua cảm biến. PLC tính ra chiều dài thực tế $L$; nếu $L = 260\text{ mm}$, xy lanh sẽ gạt mía vào bàn xếp; nếu sai lệch kích thước, mía tiếp tục trôi hết băng tải vào khay loại.

3. Tại sao cụm nâng hạ thùng chứa lại sử dụng động cơ AC Servo kết hợp cơ cấu vít me bi?

Cụm nâng hạ thùng chứa đòi hỏi độ chính xác định vị rất cao và khả năng chịu tải thay đổi theo từng lớp mía xếp vào. Động cơ AC Servo HG-KR43B (400 W) kết hợp bộ điều khiển MR-J4-40A có bộ mã hóa 22-bit cho phép điều khiển góc quay cực kỳ chính xác. Khi kết hợp với trục vít me bi và ray trượt dẫn hướng vuông tuyến tính, hệ thống tạo ra chuyển động tịnh tiến êm dịu, loại bỏ rung lắc và cho phép lập trình thay đổi linh hoạt cự ly hạ thùng theo đúng độ dày của từng lớp mía.

4. Cơ sở nào để nhóm tác giả lựa chọn đường kính cho các xy lanh khí nén trên bàn xếp và bàn lùa?

Việc chọn xy lanh dựa trên tính toán cân bằng lực ma sát ở áp suất khí nén định mức 5 bar ($0{,}5\text{ N/mm}^2$):

  • Với xy lanh cấp/xếp mía (đẩy 1 cây $m = 0{,}5\text{ kg}$, ma sát lăn $\mu = 0{,}1 \rightarrow F_{ms} = 0{,}49\text{ N}$), đường kính tính toán yêu cầu $D > 3{,}6\text{ mm}$, nhóm lựa chọn xy lanh $D = 5\text{ mm}$, hành trình 200 mm.
  • Với xy lanh lùa mía vào thùng (đẩy 4 cây $m = 2\text{ kg}$, ma sát trượt $\mu = 0{,}7 \rightarrow F_{ms} = 13{,}72\text{ N}$), đường kính tính toán yêu cầu $D > 7{,}13\text{ mm}$, nhóm lựa chọn xy lanh $D = 10\text{ mm}$, hành trình 400 mm.

5. Năng suất và thời gian thực hiện một chu trình của máy đạt được là bao nhiêu?

Kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy thời gian thực hiện một chu trình đóng gói hoàn chỉnh (đo chiều dài, phân loại, xếp đủ 4 cây/lớp và hạ 3 lớp vào thùng) là khoảng 35 giây. Tốc độ đóng gói tự động của mô hình máy đạt năng suất cao hơn 1,5 lần so với phương pháp đóng gói thủ công thông thường.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy đóng gói mía" của nhóm tác giả Tạ Thanh Phát và Nguyễn Cẩm Như đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đặt ra từ thiết kế cơ khí, tính toán động lực học đến thi công tủ điện và lập trình điều khiển tự động. Hệ thống vận hành ổn định trên nền tảng PLC Mitsubishi FX5U và AC Servo MR-J4, đảm bảo đo chính xác kích thước mía 260 mm và đóng gói đúng quy cách 4 cây/lớp, 3 lớp/thùng với chu trình 35 giây. Công trình đã cung cấp một giải pháp tự động hóa có tính thực tiễn cao, góp phần giải quyết bài toán nâng cao năng suất và đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm trong khâu sau thu hoạch nông sản tại Việt Nam.