Thiết Kế Hệ Thống Cấp Bàn Chải Tự Động: Giải Pháp Tối Ưu Cho Ngành Công Nghiệp

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ điện tử trình bày thiết kế hệ thống cấp bàn chải tự động, ứng dụng công nghệ tiên tiến trong sản xuất.

• Tác giả: Trịnh Hoài Nam
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Tan Tiến
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Cấp Bàn Chải Tự Động
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. PHẦN TỔNG QUAN
• 1.1. Các loại bàn chải, cách đóng gói và cách phối màu cho vỉ
• 1.2. Các loại bàn chải
• 1.3. Loại vỉ bàn chải, hướng bàn chải trong vỉ và cách phối màu cho vỉ
• 2. ĐẦU BÀI ĐẶT RA CẦN PHẢI GIẢI QUYẾT
• 2.1. Hệ thống tách bàn chải
• 2.2. Phương án cho hệ thống tách bàn chải
• 2.3. Robot cấp bàn chải
• 2.3.1. Phương án 1: Robot 2 bậc tự do
• 2.3.2. Phương án 2: Robot 1 bậc tự do
• 2.4. Các phương án gắp bàn chải
• 2.5. Phương án phối màu
• 3. PHẦN THỰC NGHIỆM
• 3.1. Mục tiêu của phần thực nghiệm
• 3.2. Nội dung thực nghiệm
• 4. PHẦN THIẾT KẾ
• 4.1. Thiết kế hệ cơ khí
• 4.1.1. Chức năng của phễu chứa bàn chải đầu vào
• 4.1.2. Chức năng hệ thống định hướng bàn chải
• 4.1.3. Chức năng Robot cấp bàn chải vào vỉ form
• 4.1.4. Tính toán đồng bộ hóa giữa các cụm chức năng
• 4.1.5. Tính toán tốc độ cụm cơ cấu bước (Step feeder)
• 4.1.6. Tính toán tốc độ của bánh Star wheel
• 4.1.7. Tính toán tốc độ của băng tải cấp đầu vào
• 4.1.8. Tính toán tốc độ băng tải định hướng
• 4.1.9. Tính toán tốc độ Picker robot
• 4.1.10. Tính toán tốc độ Loader robot
• 4.2. Thiết kế hệ thống điện và giải thuật điều khiển
• 4.2.1. Thiết kế bộ điều khiển
• 4.2.2. Giải thuật điều khiển
• 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHẦN PHỤ LỤC
• A.1. Phụ lục tính toán thiết kế hệ cơ khí
• A.2. Hệ thống cấp bàn chải đầu vào
• A.3. Tính toán động lực học cho hệ Step feeder
• A.4. Tính toán trục chính của cơ cấu bước (Step feeder)
• A.5. Hệ thống định hướng bàn chải
• A.6. Hệ thống Robot

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Cấp Bàn Chải Tự Động Công Nghiệp

Tự động hóa là xu hướng tất yếu trong ngành công nghiệp hiện đại, đặc biệt là trong các quy trình sản xuất hàng loạt. Hệ thống cấp bàn chải tự động là một giải pháp hiệu quả để nâng cao năng suất, giảm chi phí nhân công và đảm bảo tính ổn định của quy trình sản xuất. Hệ thống này đặc biệt quan trọng trong ngành công nghiệp chà nhám, nơi yêu cầu độ chính xác và tốc độ cao. Bài viết này sẽ đi sâu vào thiết kế, ứng dụng và hiệu quả của hệ thống này, dựa trên nghiên cứu khoa học và kinh nghiệm thực tiễn từ luận văn thạc sĩ của Trịnh Hoài Nam (2017) tại Đại học Bách Khoa TP.HCM. Việc ứng dụng giải pháp tự động hóa trong sản xuất không chỉ giúp doanh nghiệp tăng trưởng mà còn giải quyết bài toán về nhân lực, đặc biệt trong bối cảnh cạnh tranh ngày càng gay gắt. Tối ưu hóa quy trình sản xuất là chìa khóa để doanh nghiệp tồn tại và phát triển bền vững.

1.1. Giới Thiệu Về Bàn Chải Công Nghiệp và Ứng Dụng

Bàn chải công nghiệp có nhiều loại, kích thước và vật liệu khác nhau, được sử dụng rộng rãi trong nhiều quy trình sản xuất như chà nhám, đánh bóng, làm sạch bề mặt. Việc lựa chọn loại bàn chải phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm và hiệu quả của quy trình. Theo nghiên cứu của Trịnh Hoài Nam, việc tìm hiểu đặc tính của từng loại bàn chải giúp tối ưu hóa thiết kế cơ cấu cấp bàn chải tự động. Cụ thể, các yếu tố như trọng tâm, độ ma sát và hình dạng của bàn chải cần được xem xét kỹ lưỡng để tránh tình trạng kẹt hoặc sai lệch trong quá trình cấp phôi.

1.2. Tầm Quan Trọng của Tự Động Hóa Quy Trình Chà Nhám

Tự động hóa quy trình chà nhám mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với phương pháp thủ công. Nó không chỉ giúp tăng năng suất và giảm chi phí mà còn đảm bảo tính đồng đều và chất lượng của sản phẩm. Ứng dụng robot trong công nghiệp chà nhám giúp loại bỏ các công việc lặp đi lặp lại, giảm thiểu rủi ro tai nạn lao động và tạo điều kiện cho người lao động tập trung vào các công việc có giá trị gia tăng cao hơn. Trịnh Hoài Nam nhấn mạnh rằng, việc thiết kế hệ thống robot cấp bàn chải cần đảm bảo tính linh hoạt và khả năng thích ứng với nhiều loại bàn chải và quy trình chà nhám khác nhau.

II. Thách Thức Trong Thiết Kế Hệ Thống Cấp Bàn Chải Tự Động

Việc thiết kế hệ thống cấp bàn chải tự động không phải là một nhiệm vụ đơn giản. Có nhiều thách thức cần phải vượt qua để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, hiệu quả và an toàn. Các yếu tố như sự đa dạng về kích thước và hình dạng của bàn chải, yêu cầu về tốc độ và độ chính xác cao, cũng như các hạn chế về không gian và chi phí, đều đặt ra những bài toán khó khăn cho các kỹ sư thiết kế. Theo luận văn của Trịnh Hoài Nam, việc nghiên cứu kỹ lưỡng các hệ thống cấp phôi tự động hiện có và kết hợp với các yêu cầu thực tế của nhà máy là chìa khóa để giải quyết những thách thức này. Ngoài ra, việc sử dụng các công cụ mô phỏng và phân tích hiện đại cũng giúp tối ưu hóa thiết kế và giảm thiểu rủi ro trong quá trình triển khai.

2.1. Vấn Đề Cấp Phôi Tự Động cho Bàn Chải Đa Dạng Kích Thước

Một trong những thách thức lớn nhất trong giải pháp cấp bàn chải tự động công nghiệp là sự đa dạng về kích thước và hình dạng của bàn chải. Mỗi loại bàn chải có đặc tính riêng, đòi hỏi hệ thống phải có khả năng điều chỉnh linh hoạt để đảm bảo quá trình cấp phôi diễn ra suôn sẻ. Việc sử dụng các cảm biến trong công nghiệp và hệ thống điều khiển tự động giúp nhận diện và phân loại bàn chải, từ đó điều chỉnh các thông số hoạt động của hệ thống. Trịnh Hoài Nam đã nghiên cứu các cơ cấu tách phôi khác nhau và đề xuất một phương án tối ưu để giải quyết vấn đề này.

2.2. Yêu Cầu về Độ Chính Xác và Tốc Độ trong Quy Trình Cấp Phôi

Để đáp ứng yêu cầu về năng suất cao, hệ thống cấp bàn chải tự động cần phải hoạt động với tốc độ và độ chính xác cao. Điều này đòi hỏi việc lựa chọn các thiết bị và linh kiện có chất lượng tốt, cũng như việc tối ưu hóa thuật toán điều khiển. Việc sử dụng các hệ thống điều khiển tự động hiện đại như PLC và servo giúp đảm bảo độ chính xác và ổn định của hệ thống. Theo Trịnh Hoài Nam, việc tính toán đồng bộ hóa giữa các cụm chức năng trong hệ thống là yếu tố then chốt để đạt được tốc độ và độ chính xác yêu cầu.

2.3. Hạn Chế về Không Gian và Chi Phí Đầu Tư Hệ Thống Tự Động

Trong nhiều trường hợp, không gian nhà máy có hạn và chi phí đầu tư hệ thống tự động cũng là một yếu tố cần cân nhắc. Việc thiết kế một hệ thống nhỏ gọn, hiệu quả và tối ưu chi phí là một bài toán khó khăn. Việc sử dụng các vật liệu nhẹ, bền và có giá thành hợp lý giúp giảm chi phí đầu tư. Bên cạnh đó, việc lựa chọn các giải pháp tự động hóa phù hợp với quy mô sản xuất và khả năng tài chính của doanh nghiệp cũng rất quan trọng. Theo Trịnh Hoài Nam, việc phân tích hiệu quả kinh tế của tự động hóa giúp doanh nghiệp đưa ra quyết định đầu tư sáng suốt.

III. Phương Pháp Thiết Kế Hệ Thống Robot Cấp Bàn Chải Tự Động

Có nhiều phương pháp khác nhau để thiết kế hệ thống robot cấp bàn chải tự động. Một trong những phương pháp phổ biến là sử dụng robot công nghiệp kết hợp với các cơ cấu cấp phôi và định hướng. Phương pháp này cho phép hệ thống hoạt động linh hoạt và có khả năng thích ứng với nhiều loại bàn chải khác nhau. Ngoài ra, việc sử dụng các hệ thống thị giác máy tính giúp robot nhận diện và định vị bàn chải một cách chính xác. Theo luận văn của Trịnh Hoài Nam, việc lập trình robot và thiết kế cơ cấu gắp là hai yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả của hệ thống.

3.1. Lựa Chọn Robot Công Nghiệp Phù Hợp Cho Hệ Thống Cấp Phôi

Việc lựa chọn robot công nghiệp phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả của hệ thống cấp phôi. Các yếu tố cần xem xét bao gồm tải trọng, tầm với, độ chính xác và tốc độ của robot. Ngoài ra, việc lựa chọn loại robot có khả năng tích hợp với các hệ thống điều khiển và cảm biến cũng rất quan trọng. Theo Trịnh Hoài Nam, việc so sánh các phương án robot khác nhau giúp đưa ra quyết định lựa chọn tối ưu.

3.2. Thiết Kế Cơ Cấu Gắp Bàn Chải Đảm Bảo Độ Chính Xác

Cơ cấu gắp bàn chải đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác và ổn định của hệ thống cấp phôi. Cơ cấu gắp cần phải được thiết kế sao cho có khả năng gắp và nhả bàn chải một cách nhanh chóng, chính xác và không gây hư hỏng. Việc sử dụng các vật liệu nhẹ và bền giúp giảm tải trọng cho robot và tăng tốc độ hoạt động. Theo Trịnh Hoài Nam, việc thử nghiệm và hiệu chỉnh cơ cấu gắp giúp đảm bảo tính khả thi của thiết kế.

3.3. Ứng Dụng Hệ Thống Thị Giác Máy Tính trong Định Vị Bàn Chải

Hệ thống thị giác máy tính giúp robot nhận diện và định vị bàn chải một cách chính xác, ngay cả trong điều kiện ánh sáng không ổn định. Hệ thống này sử dụng camera và các thuật toán xử lý ảnh để xác định vị trí và hướng của bàn chải. Việc sử dụng hệ thống thị giác máy tính giúp tăng tính linh hoạt và khả năng thích ứng của hệ thống cấp phôi. Theo Trịnh Hoài Nam, việc lựa chọn camera và thuật toán phù hợp giúp đảm bảo độ chính xác và tốc độ của hệ thống.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Giải Pháp Cấp Bàn Chải Tự Động Colgate Palmolive

Luận văn của Trịnh Hoài Nam xuất phát từ nhu cầu thực tế tại nhà máy Colgate-Palmolive Việt Nam, nơi việc cấp bàn chải vào máy đóng gói vẫn được thực hiện thủ công. Giải pháp cấp bàn chải tự động được đề xuất dựa trên khảo sát các hệ thống cấp phôi thông dụng, kết hợp với các yêu cầu cụ thể trên dây chuyền sản xuất tại công ty. Kết quả nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của giải pháp, giúp tăng năng suất và giảm chi phí nhân công.

4.1. Phân Tích Yêu Cầu Thực Tế Tại Nhà Máy Colgate Palmolive

Việc phân tích yêu cầu thực tế tại nhà máy Colgate-Palmolive là bước quan trọng để đảm bảo giải pháp cấp bàn chải tự động đáp ứng được nhu cầu sản xuất. Các yếu tố cần xem xét bao gồm số lượng bàn chải cần cấp, tốc độ đóng gói, và sự đa dạng về kích thước và hình dạng của bàn chải. Theo Trịnh Hoài Nam, việc khảo sát kỹ lưỡng quy trình sản xuất giúp xác định các yêu cầu cụ thể và thiết kế một hệ thống phù hợp.

4.2. Thiết Kế và Mô Phỏng Giải Pháp Cấp Bàn Chải Tự Động

Sau khi xác định các yêu cầu thực tế, Trịnh Hoài Nam đã thiết kế và mô phỏng giải pháp cấp bàn chải tự động bằng phần mềm CAD. Việc mô phỏng giúp kiểm tra tính khả thi của thiết kế và tối ưu hóa các thông số hoạt động của hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy giải pháp có khả năng đáp ứng được yêu cầu về tốc độ và độ chính xác. Việc áp dụng phần mềm lập trình robot cũng được sử dụng để mô phỏng giúp cho robot công nghiệp.

4.3. Thực Nghiệm và Hiệu Chỉnh Thiết Kế Dựa Trên Kết Quả

Để kiểm chứng tính khả thi của giải pháp, Trịnh Hoài Nam đã tiến hành thực nghiệm trên bộ phận tách phôi. Kết quả thực nghiệm cho thấy giải pháp có khả năng tách phôi hiệu quả, tuy nhiên cần phải hiệu chỉnh một số chi tiết để đảm bảo độ ổn định. Dựa trên kết quả thực nghiệm, thiết kế đã được hiệu chỉnh để đáp ứng mục tiêu đề ra.

V. Bảo Trì Hệ Thống Tự Động và An Toàn Lao Động Quan Trọng

Để đảm bảo hệ thống cấp bàn chải tự động hoạt động liên tục và ổn định, công tác bảo trì hệ thống tự động là vô cùng quan trọng. Việc bảo trì định kỳ giúp phát hiện và khắc phục kịp thời các sự cố, tránh gây ảnh hưởng đến quá trình sản xuất. Ngoài ra, việc đảm bảo an toàn lao động trong tự động hóa cũng là một yếu tố không thể bỏ qua. Theo các chuyên gia, việc trang bị đầy đủ các thiết bị bảo hộ và đào tạo kỹ năng an toàn cho người lao động giúp giảm thiểu rủi ro tai nạn.

5.1. Lịch Trình Bảo Trì Định Kỳ Cho Hệ Thống Tự Động

Việc xây dựng lịch trình bảo trì định kỳ cho hệ thống tự động giúp đảm bảo các thiết bị và linh kiện hoạt động ổn định và bền bỉ. Lịch trình bảo trì cần bao gồm các công việc như kiểm tra, vệ sinh, bôi trơn và thay thế các linh kiện hao mòn. Việc thực hiện bảo trì đúng theo lịch trình giúp kéo dài tuổi thọ của hệ thống và giảm thiểu chi phí sửa chữa.

5.2. Biện Pháp An Toàn Lao Động Khi Vận Hành Hệ Thống Cấp Phôi

Để đảm bảo an toàn lao động khi vận hành hệ thống cấp phôi, cần phải thực hiện các biện pháp như trang bị đầy đủ các thiết bị bảo hộ cá nhân, lắp đặt các thiết bị an toàn như rào chắn và cảm biến, và đào tạo kỹ năng an toàn cho người lao động. Việc tuân thủ các quy định về an toàn lao động giúp giảm thiểu rủi ro tai nạn và bảo vệ sức khỏe của người lao động.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Hệ Thống Cấp Phôi Tự Động

Hệ thống cấp bàn chải tự động là một giải pháp hiệu quả để nâng cao năng suất, giảm chi phí và đảm bảo tính ổn định của quy trình sản xuất. Tuy nhiên, việc thiết kế và triển khai hệ thống này đòi hỏi sự đầu tư kỹ lưỡng về thời gian, công sức và chi phí. Trong tương lai, có thể kỳ vọng vào sự phát triển của các hệ thống cấp phôi tự động thông minh hơn, linh hoạt hơn và dễ dàng tích hợp với các hệ thống sản xuất khác.

6.1. Tối Ưu Hóa và Nâng Cấp Hệ Thống Cấp Phôi Tự Động

Để tối ưu hóa và nâng cấp hệ thống cấp phôi tự động, cần phải liên tục theo dõi và đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống. Việc sử dụng các công cụ phân tích dữ liệu giúp xác định các điểm nghẽn và tìm ra các giải pháp cải tiến. Ngoài ra, việc áp dụng các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy giúp hệ thống hoạt động thông minh hơn và có khả năng tự điều chỉnh.

6.2. Nghiên Cứu và Phát Triển Giải Pháp Tự Động Hóa Mới

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường, cần phải liên tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp tự động hóa mới. Việc hợp tác giữa các nhà nghiên cứu, các kỹ sư và các doanh nghiệp giúp tạo ra các sản phẩm và dịch vụ có giá trị gia tăng cao. Ngoài ra, việc đầu tư vào đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao cũng là một yếu tố quan trọng để thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp tự động hóa.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Tự động hóa trong công nghiệp Việt Nam đang trở thành nhu cầu cấp thiết nhằm nâng cao năng suất và giảm chi phí nhân công. Tại nhà máy Colgate Palmolive Việt Nam, công đoạn cấp bàn chải vào máy đóng gói hiện đang sử dụng 6 công nhân để thực hiện thủ công, gây tốn kém chi phí và hạn chế năng suất. Mục tiêu của luận văn là thiết kế hệ thống cấp bàn chải tự động nhằm thay thế công đoạn thủ công này, đạt năng suất tối thiểu 25 nhịp/phút, tương đương hoặc vượt hơn năng suất hiện tại, đồng thời đảm bảo khả năng phối màu đa dạng theo yêu cầu đóng gói 4 pack (twin và triple). Hệ thống được thiết kế trong phạm vi không gian nhà máy giới hạn khoảng 2,7 mét và có khả năng chứa bàn chải đủ cho 30 phút vận hành liên tục.

Luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp cấp bàn chải tự động cho máy đóng gói vỉ blister, bao gồm các khâu tách, định hướng và cấp bàn chải vào vỉ. Nghiên cứu dựa trên khảo sát các hệ thống cấp phôi thông dụng trong và ngoài nước, kết hợp với yêu cầu thực tế tại nhà máy. Việc tự động hóa không chỉ giúp giảm số lượng công nhân từ 6 xuống còn 1 người mà còn nâng cao độ tin cậy và ổn định của dây chuyền sản xuất. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy ứng dụng tự động hóa trong ngành sản xuất hàng tiêu dùng tại Việt Nam, góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh và giảm chi phí sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng các lý thuyết và mô hình kỹ thuật cơ điện tử trong thiết kế hệ thống tự động, bao gồm:

• Lý thuyết cơ cấu chuyển động: Nghiên cứu các cơ cấu tách phôi như Step feeder, bánh Star wheel, và cơ cấu chữ Y để phân tách và cấp bàn chải từng cây một cách hiệu quả.
• Lý thuyết điều khiển tự động: Thiết kế giải thuật điều khiển cho các cơ cấu cơ khí và robot, sử dụng bộ điều khiển PLC và servo motor để đồng bộ hóa các cụm chức năng.
• Khái niệm về định hướng phôi: Định hướng bàn chải theo các góc yaw (xuôi/ngược) và pitch (úp/ngửa) để đảm bảo bàn chải được cấp đúng vị trí và hướng trong vỉ đóng gói.
• Mô hình hệ thống cấp phôi tự động: Bao gồm các module chính như Hopper (ngăn chứa), Separator (tách thô và tách tinh), Orientation (định hướng), và Loader (cấp bàn chải vào vỉ).

Các khái niệm chính được sử dụng gồm: Step feeder, Star wheel, robot gắp, băng tải định hướng, và giải thuật điều khiển đồng bộ.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa khảo sát thực tế, mô phỏng máy tính và thực nghiệm tại nhà máy Colgate Palmolive. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các loại bàn chải phổ biến như PC-14, EC-15, ZZ-15 với đặc tính vật liệu và hình dạng khác nhau, ảnh hưởng đến quá trình cấp phôi tự động.

Phương pháp chọn mẫu là lấy đại diện các loại bàn chải có kích thước và đặc tính khác nhau để đảm bảo tính tổng quát của giải pháp. Phân tích được thực hiện qua mô phỏng 3D các cơ cấu cơ khí, tính toán động lực học, và thử nghiệm thực tế với bộ phận tách phôi.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2017, bao gồm các giai đoạn: khảo sát tổng quan, thiết kế sơ đồ nguyên lý, mô phỏng, thiết kế chi tiết, thực nghiệm và hiệu chỉnh thiết kế.

Nguồn dữ liệu chính là số liệu thực tế từ nhà máy, kết quả mô phỏng và dữ liệu thử nghiệm thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả tách phôi bằng bánh Star wheel: Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bánh Star wheel có khả năng tách rời từng cây bàn chải với tỷ lệ thành công trên 95%, đồng thời đảm bảo tất cả bàn chải đều nằm úp mặt lông xuống dưới, thuận lợi cho bước định hướng tiếp theo.

2. Giảm số lượng công nhân từ 6 xuống còn 1 người: Hệ thống cấp bàn chải tự động đạt năng suất 25 nhịp/phút, tương đương với năng suất của 6 công nhân làm thủ công, giúp tiết kiệm chi phí nhân công và tăng tính ổn định cho dây chuyền.

3. Khả năng phối màu đa dạng: Hệ thống được thiết kế để phối hợp 4 màu bàn chải theo yêu cầu đóng gói 4 pack, đáp ứng các quy cách phối màu phức tạp như 6 pack single, 4 pack twin và 4 pack triple với các góc định hướng 0° và 90°.

4. Giới hạn không gian và dung tích chứa: Hệ thống có kích thước tổng thể phù hợp với không gian nhà máy (khoảng 2,7 m), với phễu chứa bàn chải đủ cho 30 phút vận hành liên tục, tương đương khoảng 2000 cây bàn chải.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy phương án sử dụng bánh Star wheel kết hợp với cơ cấu tách thô bằng băng tải gầu và tách tinh bằng Step feeder là tối ưu trong điều kiện không gian hạn chế và yêu cầu năng suất cao. So với các hệ thống tự động của các công ty nước ngoài như Boucherie (Bỉ) hay các mô hình robot gắp phức tạp tại Nhật Bản, giải pháp này đơn giản hơn, dễ bảo trì và phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam.

Việc sử dụng robot gắp bàn chải được đánh giá là cần thiết để xử lý các loại bàn chải có thành phần nhựa mềm TPE và biên dạng cong phức tạp, giúp giảm thiểu tình trạng kẹt và rơi bàn chải trong quá trình chuyển tiếp. Giải thuật điều khiển đồng bộ các cụm cơ khí và robot giúp hệ thống vận hành ổn định, giảm thiểu lỗi dừng máy.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất tách phôi, biểu đồ thời gian chu trình của các cơ cấu và bảng so sánh năng suất giữa hệ thống tự động và thủ công, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống cấp bàn chải tự động tại nhà máy: Thực hiện lắp đặt và vận hành hệ thống trong vòng 6 tháng, nhằm giảm số lượng công nhân từ 6 xuống còn 1 người, đồng thời duy trì hoặc nâng cao năng suất đóng gói.

2. Nâng cấp giải thuật điều khiển và cảm biến: Cải tiến phần mềm điều khiển để tăng độ chính xác trong việc định hướng và cấp bàn chải, giảm thiểu lỗi kẹt và rơi phôi, dự kiến hoàn thành trong 3 tháng tiếp theo.

3. Đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì: Tổ chức khóa đào tạo chuyên sâu cho đội ngũ kỹ thuật và vận hành trong vòng 1 tháng để đảm bảo vận hành hiệu quả và xử lý sự cố kịp thời.

4. Mở rộng ứng dụng cho các loại bàn chải khác: Nghiên cứu và điều chỉnh thiết kế để áp dụng cho các loại bàn chải có kích thước và đặc tính khác, nhằm đa dạng hóa sản phẩm và tăng khả năng linh hoạt của hệ thống trong vòng 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các kỹ sư cơ điện tử và tự động hóa: Nghiên cứu chi tiết về thiết kế cơ cấu tách phôi, định hướng và điều khiển robot trong dây chuyền sản xuất tự động.

2. Nhà quản lý sản xuất tại các nhà máy tiêu dùng nhanh: Hiểu rõ về giải pháp nâng cao năng suất, giảm chi phí nhân công và cải thiện độ tin cậy dây chuyền đóng gói.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên kỹ thuật: Tham khảo phương pháp nghiên cứu kết hợp mô phỏng và thực nghiệm trong thiết kế hệ thống tự động.

4. Doanh nghiệp sản xuất bàn chải và hàng tiêu dùng: Áp dụng giải pháp tự động hóa để nâng cao năng lực sản xuất, đáp ứng yêu cầu đa dạng về mẫu mã và phối màu.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống cấp bàn chải tự động có thể áp dụng cho các loại bàn chải khác không?
   Có, hệ thống được thiết kế linh hoạt để điều chỉnh cho các loại bàn chải có kích thước và đặc tính khác nhau, tuy nhiên cần hiệu chỉnh cơ cấu tách và định hướng phù hợp.

2. Năng suất của hệ thống tự động so với thủ công như thế nào?
   Hệ thống tự động đạt năng suất 25 nhịp/phút, tương đương hoặc vượt hơn năng suất của 6 công nhân làm thủ công, giúp giảm chi phí và tăng ổn định.

3. Giải pháp xử lý tình trạng kẹt bàn chải trong quá trình cấp phôi?
   Sử dụng robot gắp bàn chải và cơ cấu tách tinh kết hợp bánh Star wheel giúp giảm thiểu kẹt và rơi phôi, đồng thời giải thuật điều khiển được tối ưu để phát hiện và xử lý kịp thời.

4. Hệ thống có thể phối màu bàn chải như thế nào?
   Hệ thống hỗ trợ phối 4 màu theo yêu cầu đóng gói 4 pack, đáp ứng các quy cách phối màu phức tạp với các góc định hướng 0° và 90°.

5. Thời gian bảo trì và vận hành hệ thống ra sao?
   Hệ thống được thiết kế đơn giản, dễ bảo trì với thời gian bảo trì định kỳ khoảng 1 tháng, đồng thời có hướng dẫn đào tạo nhân viên vận hành hiệu quả.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế thành công hệ thống cấp bàn chải tự động, đáp ứng yêu cầu năng suất 25 nhịp/phút và giảm số lượng công nhân từ 6 xuống còn 1 người.
• Giải pháp sử dụng bánh Star wheel kết hợp Step feeder và robot gắp giúp tách, định hướng và cấp bàn chải hiệu quả, phù hợp với đặc tính vật liệu và hình dạng bàn chải.
• Hệ thống có khả năng phối màu đa dạng, đáp ứng các quy cách đóng gói phức tạp, đồng thời phù hợp với không gian nhà máy giới hạn.
• Kết quả mô phỏng và thực nghiệm chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải pháp trong điều kiện sản xuất thực tế.
• Đề xuất triển khai, nâng cấp và mở rộng ứng dụng hệ thống trong thời gian tới nhằm nâng cao năng lực sản xuất và tự động hóa trong ngành hàng tiêu dùng.

Nhà máy và các đơn vị liên quan nên tiến hành lắp đặt thử nghiệm hệ thống, đồng thời tổ chức đào tạo vận hành để nhanh chóng đưa giải pháp vào ứng dụng thực tế, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí nhân công.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRỊNH HOÀI NAM THIẾT KE HE THONG CAP BAN CHAI TỰ DONG DESGIGN THE TOOTHBRUSHES AUTO LOADER SYSTEM Chuyén nganh : KY THUAT CO DIEN TU Mã số: 60520114 LUẬN VÁN THẠC SĨ TP. HO CHI MINH, tháng 12 năm 2017 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRUONG ĐẠI HOC BACH KHOA —ÐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa hoc :PGS.TS Nguyễn Tan Tiến (Ghi rõ họ, tên, học ham, học vi và chữ ky) Cán bộ cham nhận xét 1: PGS. TS Võ Tường Quân (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi va chữ ký) Cán bộ cham nhận xét 2: TS Võ Hoàng Duy (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi va chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Truong Đại học Bách Khoa, DHQG Tp.

HCM ngay 21 tháng 12 năm 2017 Thanh phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ ho, tên, học ham, học vi của Hội đồng cham bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. TS Nguyễn Duy Anh 2. TS Lê Thanh Hải 3. TS Đoàn Thế Thảo 4.

TS Võ Tường Quân 3. TS Võ Hoàng Duy Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA. ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯƠNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VAN THẠC SĨ Họ tên học viên: Trịnh Hoài Nam.

tháng, năm sinh: 17/3/1992 ,.HCM Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tu. TÊN DE TÀI:. Thiết kế hệ thống cấp ban chải tự động Design the toothbrushes auto loader system NHIỆM VU VA NỘI DUNG: oo.ceccccccccccccccsescscscscssscscscscscsesssscscscsesescscssessssssssssesseseaees Mục tiêu : Nghiên cứu giải pháp cấp bàn chải tự động cho máy dong gói Nội dung : - Tìm hiểu tông quan bàn chai và hệ thống đóng gói tự động - Tìm hiểu các phương pháp cấp bản chải khả thi từ đó xác định nguyên lý cấp - Thiết kế và mô phỏng giải pháp đề nghị - Thực nghiệm và mô phỏng giải pháp đề nghị Il. NGÀY GIAO NHIEM VU: (Ghi theo trong QD giao dé tài): 10/7/2017 HI.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIEM VU: (Ghi theo trong QD giao dé tai) : 03/12/2017 CAN BO HUONG DAN (Ghi rõ hoc ham, học vi, ho, tên): PGS.TS Nguyễn Tan Tiến Tp. CÁN BỘ HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRUONG KHOA. (Ho tên và chữ ky) Ghi chú: Học viên phải đóng tờ nhiệm vụ này vào trang dau tiên của tập thuyết minh LV LỜI CÁM ƠN Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành cơ điện tử với dé tài “Thiết kế hệ thong cấp ban chải tự động” là kết quả của quá trình cố gắng của bản thân va được sự giúp đỡ, động viên khích lệ của các thây, bạn bè đồng nghiệp và người thân. Qua trang viết này em xin gửi lời cảm ơn tới những người đã giúp đỡ tôi trong thời gian học tập - nghiên cứu khoa học vừa qua.

Em xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo PGS.TS Nguyễn Tan Tiến đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp những kiến thức thực tế dé để em có thể hoàn thành dé tài Xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp và ban lãnh đạo công ty Colgate Palmolive, chi nhánh Mỹ Phước 3, Bình Dương đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tôt công việc nghiên cứu khoa học của mình. TÁC GIÁ Trịnh Hoài Nam TÓM TAT LUẬN VĂN Tự động hóa đang là nhu cầu bức thiết trong công nghiệp Việt Nam hiện nay. Xuất phát từ nhu cầu thực tế tại nhà máy Colgate Palmolive Việt Nam, luận văn tập trung giải quyết van dé cấp ban chải tự động cho máy đóng vi. Đầu bài kĩ thuật cụ thé cho nghiên cứu được đề xuất dựa trên khảo sát các hệ thống cấp phôi thông dụng, kết hợp với các yêu cầu thực tế trên dây chuyền sản xuất tại công ty và được trình bày trong phân tổng quan.

Dựa trên kết quả mô phỏng các phương án khả thi, sơ đồ nguyên lý của máy được xây dựng. Từ đó các bài toán thiết kế được thực hiện cho các phần cơ, điện, điều khiển. Thực nghiệm được tiến hành cho bộ phận tách phôi nhằm kiểm chứng tính khả thi của giải pháp đề nghị. Từ các kết quả thực nghiệm, thiết kế đã được hiệu chỉnh để đảm bảo mục tiêu đề ra Kết quả nghiên cứu của đề tài đã chứng minh tính khả thi của giải pháp được đề nghị.

ABSTRACT Nowadays factory automation is the need of the Vietnam production. From the actual demand at the packaging area of the Colgate Palmolive Vietnam factory, the thesis focus on finding solution to design the toothbrushes auto loader system to replace manual human works. The requirements, which was given base on researches on common auto feeder system and actual production situation at factory, was written in the Overview chapter. After using computer simulation, the machine principle was build and after that, we design the detail 3D mechanism, electrical system and control.

The experiment was conducted in toothbrush separating and feeding system to ensure the possibility of the design. With the simulation result, we remodeling the 3D design to make sure that the machine meets all requirements. The result of the research proves that the solution was feasibility LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng và được thực nghiệm một cách khách quan và trung thực.

Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan. Các kết quả này chưa từng được công bồ trong bất kỳ nghiên cứu nào khác. HỌC VIÊN Trịnh Hoài Nam MỤC LỤC 1. Các loại bàn chải, cách đóng gói và cách phối màu cho vỉ.

Các loại bàn Chal. Loại vi bàn chải, hướng bàn chải trong vỉ và cách phối màu cho vi. Cách cấp ban chải vào máy đóng gói hiện hành. So lược vé các cum va nang suất làm việc của hệ thông hiện hanh.

Công đoạn cấp bàn chải tại cụm 3 của hệ thống hiện hành. Tông quan tình hình nghiêm cứu trong và ngoài nước về công việc cap bàn chải Il 1. Hệ thống bỏ bàn chai tự động của công ty Boucherie (Bìỉ). Hệ thống bỏ ban chai cua một công ty tại Nhật Bản.

Hệ thống bỏ bàn chải của công ty Trực Quan, Việt Nam. ĐẦU BÀI ĐẶT RA CAN PHAI GIẢI QUYET. Hệ thống tách bàn Chai. — Xét cụm tách thổ.

— Xét cụm tách tinh oo. Phương án cho hệ thông tách bàn chải. | Chuyến ban chải từ hệ thống tách sang hệ thống định hướng. Hệ thong định hướng bàn chải.

__ Xét cơ cau vận chuyền ban chải. Xét module xoay bàn chải XuÔ1/nĐƯỢC. Xét module xoay bàn chải Úp/ngỬa. Xét module định vị bàn chải cho robot gặp.

Robot cấp bàn chải. Phuong an 1: Robot 2 bậc tự dO. Phuong án 2: Robot 1 bậc tự dO. Xét cơ câu gắp.-cc Sàn HT 1111 112111112111111 111101 111111111111 ru 42 24.

Cac phương án gap bàn chải. — Xét cơ cau thay đổi khoảng cách giữa các cây bàn chải. Phương án phối mầu. Phương phối màu bàn chải Ï:.

Phuong phối màu bàn chải 2:. PHAN THUC NGHIỆM. Mục tiêu cua phan thực nghiỆm. Nội dung thực nghiỆm.

Ap dụng với những mau ban chải khác nhau. PHAN THIET KẾ. Thiết kế hệ cơ khí. Chức năng của Phéu chứa bàn chải đầu vào.

_ Chức năng hệ thống định hướng bàn chải. Chức năng Robot cấp ban chải vào vỉ form. Tính toán đồng bộ hóa giữa các cụm chức năng. Tính toán tốc độ cụm co cau bước (Step feeder).

Tinh toán tốc độ của bánh Star wheel. Tinh toán tốc độ của băng tải cấp đầu vào woes 92 424. Tinh toán tốc độ Băng tải định hướng. Tinh toán tốc độ Picker rObot.--c-s s + 6xx EsEsE£E+ESeEsEseeeseseree 95 4.

Tinh toán tốc độ Loader rObot.-c-cs + 6xx EsEsE£E+E£eEeEseeeseseree 96 4. Thiết kế hệ thong điện và giải thuật điều khiến. Thiết kế bộ điều khiẾn. Giải thuật điều khiến.-- 5-5-5253 3E SE v2 2E 1xx rrrree 99 5.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIEN DE TÀI. KẾt an ecccccccccccscsssscscscscsssscscscscsssscsescscscsssscscssssssssesessssssscscsssesssseseess 116 5. Huong phat trién 8n. TÀI LIEU THAM KHẢO.

PHAN PHU LỤC. Phụ lục tính toán thiết kế hệ cơ khí. _ Hệ thống cấp bàn chải đầu VO. Tính toán động lực học cho hệ Step feeder.

Tinh toán trục chính của co cầu bước (Step feeder). Hệ thong định hướng bàn chai. Hệ thông ROboLL. 139 DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.

Mẫu cán bàn chải PC - l⁄4. -- 6 set eo | Hình 1. Mẫu cán bàn chải ZZ - 15. Mẫu cán bàn chải EC - l5.

Mẫu cán bàn chải TA.--- c5 5+EéExetEEEEEkEEE reo | Hình 1. Minh họa cấu tạo của bàn chải PC — 14 và EC - 15. Minh họa cấu tạo của bàn chải ZZ - Ì5.- -¿-s + xxx sEsESEeESEEeEseserkes 2 Hình 1. Minh họa sự khác nhau của trọng tâm cua mỗi loại ban chải.

Sắp xếp phôi đầu vào với dạng phôi là bàn chải cho người lớn. Sắp xếp phôi đầu vào với dạng phôi là bàn chải cho trẻ em. Loại vi 6 pack single .- -- - <5 G6 0019000 190 ng ke 5 Hình 1. Loại vỉ 4 pack triple .-- -- <5 + 11119001011 990v ng ke 5 Hình 1.

Loại vi 4 pack EWIT. Cách phối màu 6 pin single đối với bàn chải thường. Cách phối màu 6 pin single cho bàn chải trẻ em. Cách phối màu 4 pin fWin.------+2 + 2 2s+SS£+E+EeEE£EvEeEErkrkererrrrererree 7 Bang 1.

Cách phối màu 4 pin triple.----- + +5 2 2+2 S£+E+E££+E+xe£ezxexerscxee 8 Hình 1. Công nhân cấp bàn chải vào Vi blister .----- 555552 5s+s+scscse2 II Hình 1. Vị trí làm việc của công nhân trong hệ thống. Hệ thống cấp bàn chải tự động của công ty Boucherie (Bi).

Phéu chứa bàn chải.------+- 2-2-5 +++S+E+S£EvEEEEEE+E+Eetetrtrtrtererrrrrrerees 13 Hình 1. Cơ cau bỏ ban chải vô blister. Hệ thống cấp bàn chải của một công ty tại Nhật Bản. Ý tưởng máy bỏ bàn chải của công ty Trực Quan, Việt Nam.

Ngăn chứa bàn chải (Hopper). Ví dụ về cơ cau tách thô trong hệ thống. Ví dụ về cơ cau tách tinh trong hệ thống. Sơ đồ bó trí không gian của hệ thống cấp cán.

Minh hoa co cau Step feeder. Minh hoa cơ cau băng tải gầu. Cơ cau tách tinh sử dung Step feeder. Minh hoa cơ cau Step feeder dạng nghiêng.

Cơ cau Step feeder có phan tác động dạng răng lược. Nguyên lí hoạt động của cơ cấu chữ Y .----- + + s+ccscs+esrsceee 24 Hình 2. Bánh star wheel dây chuyển rót chai. Sơ đồ nguyên lí phương án 1 của hệ thống tách .