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.

Hành động tiếp theo: 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.