Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sản xuất lúa gạo giữ vai trò then chốt trong cơ cấu kinh tế nông nghiệp và nông thôn Việt Nam. Theo thống kê được tác giả trích dẫn từ Viện Nghiên cứu Lúa Quốc tế (IRRI), diện tích canh tác lúa chiếm 82% diện tích đất nông nghiệp cả nước; trong đó vùng Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) đóng góp khoảng 52% và Đồng bằng sông Hồng đóng góp 18% tổng sản lượng lúa. Riêng tại ĐBSCL, diện tích gieo trồng đạt khoảng 3,9 - 4,0 triệu ha/năm với sản lượng xấp xỉ 23,8 - 24,0 triệu tấn/năm (chiếm trên 50% sản lượng cả nước). Năm 2022, Việt Nam đứng thứ ba thế giới về xuất khẩu gạo với khối lượng 6,37 triệu tấn.

Mặc dù đóng vai trò quan trọng, các cơ sở chế biến và đóng gói gạo quy mô vừa và nhỏ tại Việt Nam vẫn đối mặt với nhiều khó khăn:

  • Trình độ công nghệ chế biến còn hạn chế, tỷ lệ hao hụt và vỡ hạt cao.
  • Nguồn lao động nông nghiệp thủ công ngày càng thiếu hụt do sự dịch chuyển nhân lực sang các khu công nghiệp và đô thị.
  • Các công đoạn đóng gói tại cơ sở nhỏ lẻ đa phần thực hiện thủ công hoặc bán tự động: công nhân phải tự tay đưa bao vào miệng phễu định lượng, giữ miệng bao và bấm nút xả gạo, sau đó chuyển sang công đoạn hàn miệng và vận chuyển kho. Quy trình này tạo ra điểm nghẽn về năng suất và làm gia tăng chi phí nhân công.

Xuất phát từ thực trạng trên, đề tài tập trung giải quyết bài toán tự động hóa công đoạn cấp bao cho hệ thống đóng gói gạo tại các cơ sở sản xuất nhỏ lẻ.

Mục tiêu nghiên cứu:

  • Phân tích và thiết kế hoàn chỉnh hệ thống cấp bao gạo tự động ứng dụng trong các cơ sở chế biến lúa gạo quy mô nhỏ.

Nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Tính toán và thiết kế cụm cấp bao cơ khí: Thiết kế cơ cấu lấy bao từ hộp chứa; cơ cấu mở miệng bao; cơ cấu cấp bao đến cơ cấu định lượng; thiết kế hệ thống khí nén (tính toán hành trình, lực đẩy, chọn xilanh và van điều khiển khí nén); thực hiện mô phỏng hoạt động hệ thống cấp bao.
  2. Thiết kế hệ thống điều khiển: Lựa chọn cảm biến và cơ cấu chấp hành; tính toán số lượng vào/ra (I/O) và chọn bộ điều khiển lập trình PLC; thiết lập sơ đồ đấu nối ngoại vi; xây dựng thuật toán điều khiển và lập trình điều khiển toàn bộ chu trình làm việc.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cơ cấu cấp và mở bao bì tự động trong dây chuyền đóng gói.
  • Phạm vi áp dụng: Cơ sở sản xuất gạo quy mô nhỏ lẻ.
  • Quy cách bao bì xử lý: Bao dệt PP (Polypropylene) chứa khối lượng định mức 10 kg, kích thước tiêu chuẩn 350 mm × 500 mm.
  • Quy mô cấp phôi: Hộp chứa phôi bao có sức chứa tối đa 50 bao/lần nạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Nghiên cứu được triển khai dựa trên các cơ sở kỹ thuật ngành Cơ điện tử, kết hợp quy trình sản xuất bao bì thực tế và các phương pháp tính toán cơ học - điều khiển tự động:

  • Cơ sở công nghệ bao bì đóng gói: Nghiên cứu cấu trúc và quy trình sản xuất bao PP dệt đựng gạo (kéo sợi hạt nhựa PP, dệt màng vải, tráng phủ PE hoặc ghép màng BOPP, in flexo/ống đồng). Đặc tính của bao PP dệt là độ bền kéo cao, thoáng khí, chống ẩm, độ nhám bề mặt phù hợp cho việc giữ bằng giác hút chân không và kẹp cơ khí.
  • Phương pháp tính toán động học và động lực học cơ cấu: Thiết lập các hệ phương trình cân bằng hình học (định lý Pythagoras, lượng giác tam giác phẳng) để xác định chiều dài tay gắp ($L = 360\text{ mm}$), hành trình xilanh trượt ($l_{kb} = 400\text{ mm}$), góc nghiêng trục gá ($\alpha = 60^\circ$). Thiết lập phương trình cân bằng mômen tĩnh tại khớp quay để tính lực đẩy yêu cầu của xilanh cấp bao ($F = 169{,}5\text{ N}$) dựa trên khối lượng cụm tay kẹp ($3{,}5\text{ kg}$) và áp suất khí nén vận hành ($5\text{ bar}$).
  • Phương pháp kiểm nghiệm độ bền tĩnh: Mô phỏng biến dạng và chuyển vị của các cụm kết cấu chịu tải (thanh gá cơ cấu kéo bao, thanh cố định xilanh mở miệng bao, khung hộp chứa và tay kẹp) trên môi trường CAD/CAE 3D.
  • Phương pháp thiết kế điều khiển và mô phỏng tích hợp:
    • Mô phỏng mạch khí nén: Sử dụng phần mềm Festo FluidSim để thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch khí nén và kiểm tra trình tự tác động của các xilanh.
    • Lập trình logic: Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển tuần tự, viết chương trình điều khiển dạng Ladder Diagram trên phần mềm GX Works2 cho PLC Mitsubishi.
    • Đồng bộ hóa điều khiển - mô phỏng: Kết nối trao đổi dữ liệu I/O thời gian thực giữa GX Works2 và Festo FluidSim thông qua phần mềm trung gian MX OPC Server.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống cấp bao tự động được cấu thành từ ba phân hệ chính: kết cấu cơ khí cụm cấp bao, mạng truyền động khí nén và hệ thống điều khiển điện tử - PLC.

1. Kiến trúc cơ khí và động học các cụm chức năng

  • Cụm hộp chứa phôi bao: Hộp chứa kích thước tương thích bao $350\text{ mm} \times 500\text{ mm}$, đáy hộp tích hợp lò xo đẩy bệ nâng để duy trì vị trí bao trên cùng luôn tiếp xúc với con lăn chặn phía trên, cho phép lấy từng bao theo phương ngang bên hông. Sức chứa thiết kế đạt 50 bao.
  • Cơ cấu lấy và kéo bao về máng: Kết hợp 4 giác hút chân không bố trí cách nhau $l_{gh} = 400\text{ mm}$ được dẫn hướng bằng cụm con trượt tròn LMK16 có đầu chặn, nâng hạ bởi xilanh dẫn hướng DFM. Sau khi hút tách bao lên một khoảng $h = 80\text{ mm}$, tay kẹp khí nén Festo HGRT-20-A kẹp mép bao và được xilanh trượt không ty Festo DGC-K kéo tịnh tiến một hành trình $l_{kb} = 400\text{ mm}$ trên thanh trượt SBR16UU đưa bao đặt trọn vẹn lên máng mở bao.
  • Cơ cấu mở miệng bao: Bố trí 2 cặp giác hút chân không (khoảng cách 2 giác hút $200\text{ mm}$); 2 giác hút dưới gắn cố định tại máng, 2 giác hút trên gắn trên thanh nhôm liên kết với xilanh dẫn hướng Festo DFM. Khi xilanh duỗi, giác hút bám dính hai mặt miệng bao; khi xilanh co lại với hành trình $125\text{ mm}$, miệng bao được tách mở thành dạng hình chữ nhật chiều cao $100\text{ mm}$ và chiều dài $250\text{ mm}$.
  • Cụm tay kẹp và cấp bao lên phễu định lượng: Sử dụng cơ cấu 2 tay kẹp dài $360\text{ mm}$, gắn má kẹp cao $100\text{ mm}$. Hai tay kẹp đóng/mở đồng thời thông qua xilanh Festo ADN ($d = 50\text{ mm}$, $x = 120\text{ mm}$) kết hợp thanh cân bằng $AD = 320\text{ mm}$. Toàn bộ cụm tay kẹp được xilanh Festo DSBC ($d = 150\text{ mm}$) đẩy quay $90^\circ$ quanh trục quay cố định, đưa bao từ phương thẳng đứng lên vị trí miệng phễu định lượng đặt cách mặt sàn $880\text{ mm}$.
Cụm cơ cấu Thiết bị / Linh kiện chính Mã hiệu kỹ thuật Thông số làm việc / Kích thước
Hộp chứa phôi Con trượt tròn LMK∅16 Dẫn hướng nâng hạ cụm hút
Hút tách bao Xilanh dẫn hướng khí nén Festo DFM-12-80-P-A-GF Đường kính nòng 12 mm, hành trình 80 mm
Kẹp mép bao Xilanh kẹp song song Festo HGRT-20-A Kích thước tay kẹp 60 mm
Kéo bao về máng Xilanh trượt không ty Festo DGC-K-18-480-PPV-A-GK Đường kính nòng 18 mm, hành trình 400 mm
Dẫn hướng kéo bao Con trượt khuyết SBR16UU Dẫn hướng thanh gá tay kẹp
Mở miệng bao Xilanh dẫn hướng khí nén Festo DFM-32-125-P-A-GF Nòng 32 mm, hành trình 125 mm
Kẹp giữ miệng bao Xilanh khí nén 2 đầu Festo ADN-32-50-A-PPS-A Nòng 32 mm, hành trình 50 mm
Cấp bao lên phễu Xilanh khí nén tiêu chuẩn Festo DSBC-32-150-PPSA-N3 Nòng 32 mm, hành trình 150 mm, lực $F = 169{,}5\text{ N}$

2. Hệ thống truyền động khí nén và điều khiển điện tử

  • Phần tử khí nén: Hệ thống sử dụng nguồn khí nén áp suất vận hành định mức 5 bar. Điều khiển phân phối khí qua các cụm van điện từ Festo MFH-5/3E-1/8-B và van điện từ compact VUVG-B10Z-M32C-RZT-F-1T1L-EX2C. Tạo áp suất chân không cho các giác hút thông qua các van hút chân không Festo VN-10-H-T4-PQ2-VQ3-RQ3.
  • Phần tử cảm biến: Giám sát hành trình xilanh bằng cảm biến từ gắn trên thân xilanh Festo. Nhận diện trạng thái còn/hết bao trong hộp chứa và phát hiện bao đã vào vị trí trên máng bằng cảm biến tiệm cận Omron E2K-X8ME1-2M.
  • Bộ điều khiển trung tâm và nguồn: PLC Mitsubishi FX3U-48MR-6AD-2DA kết nối các ngõ vào nút nhấn dừng khẩn cấp E-Stop LA38-11ZS, cảm biến và ngõ ra kích hoạt cuộn coil van điện từ. Toàn bộ hệ thống điện cấp nguồn thông qua bộ nguồn tổ ong 24VDC 10A Meanwell (SP-240-24).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Trình bày tổng quan về ngành lúa gạo Việt Nam và vai trò trọng điểm của vùng ĐBSCL. Phân tích chi tiết quy trình 5 bước sản xuất và chế biến gạo tiêu chuẩn (xay xát - lọc sạn, bóc vỏ - sàng lọc, xát trắng, đánh bóng, đóng gói bao định lượng). Mô tả chu trình đóng gói bán tự động tại các cơ sở nhỏ lẻ và quy trình 6 bước sản xuất bao bì PP dệt. Nêu rõ vấn đề thiếu hụt nhân công, từ đó xác định mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài đóng bao cho quy cách bao 10 kg ($350\text{ mm} \times 500\text{ mm}$).

Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế

Phân tích và lựa chọn giải pháp kỹ thuật cho từng phân hệ:

  • Phần cơ khí: Chọn giác hút chân không kết hợp xilanh kéo bao thay vì kẹp tay hoàn toàn; chọn xilanh mở miệng bao 2 phía; chọn cơ cấu tay kẹp xoay $90^\circ$ đưa bao lên miệng phễu định lượng.
  • Phần truyền động: Lựa chọn van điện từ khí nén, van tạo chân không Festo, cảm biến từ và cảm biến tiệm cận Omron.
  • Phần điều khiển: So sánh giữa vi điều khiển và PLC (độ chống nhiễu, khả năng mở rộng I/O, độ tin cậy công nghiệp) -> Lựa chọn PLC Mitsubishi FX3U làm bộ điều khiển trung tâm. Chọn toàn bộ thiết bị khí nén đồng bộ từ hãng Festo.

Chương 3: Tính toán và thiết kế cụm cấp bao

Tập trung tính toán kích thước động học, lực cơ cấu và dựng mô hình 3D:

  • Tính toán hộp chứa lò xo đẩy sức chứa 50 bao.
  • Tính toán hành trình xilanh nâng tách bao ($h = 80\text{ mm}$), hành trình xilanh kéo bao ($l_{kb} = 400\text{ mm}$), bố trí 4 giác hút chân không ($l_{gh} = 400\text{ mm}$).
  • Tính toán xilanh mở miệng bao hành trình $125\text{ mm}$.
  • Tính toán động học cơ cấu kẹp bao: chiều dài tay kẹp $L = 360\text{ mm}$, khoảng cách mở $300\text{ mm}$, khoảng cách đóng $180\text{ mm}$, chọn xilanh nòng 32 hành trình 50 mm, thanh cân bằng $320\text{ mm}$.
  • Tính toán cơ cấu nâng tay kẹp xoay $90^\circ$: phân tích mômen tại điểm tựa $C$, xác định lực đẩy lớn nhất $F = 169{,}5\text{ N}$ ở góc $\beta = 23{,}8^\circ$ khi nâng tải trọng $3{,}5\text{ kg}$, chọn xilanh Festo DSBC-32-150.
  • Thực hiện kiểm nghiệm bền phân tích chuyển vị cho thanh gắn cơ cấu kéo bao, thanh gắn xilanh mở bao, tay kẹp và khung hộp.

Chương 4: Thiết kế hệ thống truyền động

Thiết kế chi tiết mạng điều khiển điện - khí nén: lựa chọn van đảo chiều Festo MFH, van compact Festo VUVG, giác hút và van chân không Festo VN-10; tích hợp cảm biến từ Festo và cảm biến tiệm cận Omron E2K-X8ME1-2M; xây dựng sơ đồ đấu nối I/O cho PLC Mitsubishi FX3U-48MR-6AD-2DA với các nút nhấn, đèn báo và khối cấp nguồn 24VDC 10A Meanwell SP-240-24.

Chương 5: Thiết kế giải thuật điều khiển

Xây dựng lưu đồ giải thuật và cấu trúc chương trình điều khiển gồm 3 khối logic chính:

  1. Chương trình chính: Khởi tạo hệ thống, kiểm tra an toàn, kiểm tra cảm biến phát hiện còn bao trong hộp và quản lý vòng lặp cấp bao liên tục.
  2. Chương trình con lấy bao từ hộp chứa: Kích hoạt giác hút tách bao -> xilanh tách bao nâng lên -> kẹp mép bao -> xilanh trượt kéo bao về máng -> buông kẹp.
  3. Chương trình con cấp bao đến cơ cấu định lượng: Kích hoạt giác hút mở miệng bao -> xilanh mở miệng bao co lại -> tay kẹp luồn vào trong bao -> xilanh tay kẹp mở rộng giữ chặt bao -> xilanh cấp bao đẩy cụm tay kẹp xoay $90^\circ$ đưa miệng bao áp sát phễu định lượng.

Chương 6: Mô phỏng và hướng phát triển đề tài

Triển khai mô phỏng kiểm chứng: thiết lập sơ đồ mạch khí nén trên Festo FluidSim, viết chương trình nạp/xuất I/O trên GX Works2 và kết nối truyền thông qua MX OPC Server. Đánh giá sự đồng bộ của chu trình chấp hành. Nêu bật các kết quả tính toán, chỉ ra những hạn chế còn tồn tại và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật chính

  • Hoàn thành thiết kế 3D toàn diện cho hệ thống cấp bao tự động với đầy đủ các cụm cơ cấu: hộp chứa lò xo phôi bao (50 bao), cụm hút tách bao, cụm xilanh trượt kéo bao, cụm mở miệng bao và cụm tay kẹp xoay $90^\circ$ cấp lên phễu định lượng cao $880\text{ mm}$.
  • Tính toán chính xác các thông số động lực học: lực đẩy xilanh nâng $F = 169{,}5\text{ N}$ ở áp suất $5\text{ bar}$, xác định đầy đủ quy cách và mã hiệu catalogue của 5 loại xilanh Festo, 2 dòng van điện từ Festo, cảm biến Omron E2K-X8ME1-2M và PLC Mitsubishi FX3U-48MR-6AD-2DA.
  • Kết quả kiểm nghiệm bền tĩnh cho thấy các kết cấu chịu lực (thanh gắn, tay kẹp, khung hộp) làm việc an toàn trong giới hạn chuyển vị cho phép.
  • Thiết lập thành công mô hình mô phỏng liên kết giữa PLC Mitsubishi (GX Works2) và mô hình khí nén (Festo FluidSim) qua MX OPC Server, chứng minh giải thuật điều khiển tuần tự vận hành chính xác theo đúng yêu cầu công nghệ.

2. Đóng góp của đề tài

  • Cung cấp một giải pháp tự động hóa cục bộ có tính khả thi kỹ thuật cao, chi phí đầu tư vừa phải, đặc biệt phù hợp để cải tiến các dây chuyền đóng gói bao gạo thủ công tại các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ.
  • Giải quyết bài toán giảm thiểu sức lao động nặng nhọc của công nhân tại công đoạn cấp bao, hạn chế sự phụ thuộc vào nhân công thủ công đang ngày càng khan hiếm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:

    • Nghiên cứu mới dừng lại ở mức độ tính toán thiết kế lý thuyết, kiểm nghiệm bền chuyển vị trên mô hình 3D và mô phỏng điều khiển qua phần mềm (GX Works2 - MX OPC Server - FluidSim), chưa tiến hành chế tạo và thử nghiệm trên mô hình thực nghiệm phần cứng.
    • Hệ thống mới chỉ tính toán và tối ưu cho một quy cách bao duy nhất là bao PP dệt loại 10 kg (kích thước $350\text{ mm} \times 500\text{ mm}$), chưa có cơ cấu tự động điều chỉnh linh hoạt khi thay đổi kích thước bao bì.

  • Hướng nghiên cứu tiếp:

    • Chế tạo mô hình thực nghiệm vật lý để kiểm tra độ ổn định bám dính của giác hút chân không trên bề mặt bao PP dệt thực tế và đánh giá độ bền cơ học khi làm việc liên tục.
    • Tích hợp đồng bộ hệ thống cấp bao với cơ cấu cân định lượng xả gạo tự động và máy may/hàn miệng bao để tạo thành dây chuyền đóng gói gạo khép kín hoàn chỉnh.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa: Tham khảo phương pháp tính toán động học cơ cấu nâng hạ bằng xilanh khí nén, cách giải hệ phương trình hình học để chọn vị trí gá xilanh tối ưu, và quy trình lựa chọn thiết bị công nghiệp theo catalogue tiêu chuẩn của Festo, Mitsubishi, Omron.
  • Kỹ sư thiết kế máy đóng gói: Ứng dụng trực tiếp giải pháp kết hợp giác hút chân không và cơ cấu tay kẹp xoay $90^\circ$ vào các hệ thống cấp phôi bao bì dạng phẳng hoặc dây chuyền đóng gói nông sản tương tự.
  • Kỹ sư điều khiển: Tham khảo phương pháp thiết lập môi trường mô phỏng Hardware-in-the-Loop/Software-in-the-Loop kết nối phần mềm lập trình PLC GX Works2 với phần mềm mô phỏng mạch khí nén Festo FluidSim thông qua MX OPC Server.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống cấp bao được thiết kế cho loại bao bì và quy cách tải trọng nào?
Hệ thống được thiết kế chuyên biệt cho loại bao dệt PP (Polypropylene) chứa khối lượng định mức 10 kg gạo, có kích thước tiêu chuẩn là rộng $350\text{ mm}$ và dài $500\text{ mm}$. Hộp chứa đầu vào có khả năng nạp tối đa 50 bao.

2. Vì sao tác giả lựa chọn bộ điều khiển PLC Mitsubishi thay vì vi điều khiển?
Mặc dù vi điều khiển có ưu điểm nhỏ gọn và chi phí thấp, nhưng PLC được lựa chọn nhờ khả năng chống nhiễu vượt trội trong môi trường công nghiệp, độ tin cậy cao, dễ dàng mở rộng các module ngõ vào/ra (I/O), hỗ trợ các chuẩn truyền thông công nghiệp và thuận tiện cho việc bảo trì, lập trình sửa đổi thuật toán trong nhà xưởng.

3. Cơ cấu cấp bao sử dụng những mã thiết bị khí nén Festo cụ thể nào?
Hệ thống sử dụng các linh kiện tiêu chuẩn Festo gồm: xilanh tách bao DFM-12-80-P-A-GF, xilanh kẹp mép bao HGRT-20-A, xilanh trượt không ty kéo bao DGC-K-18-480-PPV-A-GK, xilanh mở miệng bao DFM-32-125-P-A-GF, xilanh kẹp giữ bao ADN-32-50-A-PPS-A, xilanh xoay cấp bao DSBC-32-150-PPSA-N3, van điện từ MFH-5/3E-1/8-B, van compact VUVG và van tạo chân không VN-10.

4. Lực đẩy yêu cầu và thông số tính toán của xilanh nâng tay kẹp đến cơ cấu định lượng là bao nhiêu?
Để nâng cơ cấu tay kẹp có khối lượng $3{,}5\text{ kg}$ từ phương thẳng đứng xoay $90^\circ$ lên độ cao miệng phễu định lượng $880\text{ mm}$, phương trình cân bằng mômen tại điểm tựa xác định lực đẩy lớn nhất của xilanh là $F = 169{,}5\text{ N}$. Tại áp suất khí nén $5\text{ bar}$ ($0{,}5\text{ N/mm}^2$), tác giả đã chọn xilanh Festo DSBC nòng 32 mm, hành trình $150\text{ mm}$.

5. Phương pháp mô phỏng và kiểm chứng điều khiển của đồ án được triển khai như thế nào?
Tác giả thiết lập sơ đồ nguyên lý khí nén trên phần mềm Festo FluidSim, lập trình chương trình điều khiển trên GX Works2 cho PLC Mitsubishi FX3U, sau đó kết nối truyền nhận tín hiệu I/O thời gian thực giữa hai phần mềm thông qua công cụ máy chủ MX OPC Server để kiểm chứng chu trình làm việc tự động.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trần Văn Hải đã hoàn thành toàn diện việc phân tích, tính toán cơ học và thiết kế hệ thống cấp bao gạo tự động 10 kg cho các cơ sở sản xuất quy mô nhỏ. Nghiên cứu đã đưa ra kết cấu cơ khí chi tiết, tính toán động lực học lực đẩy $169{,}5\text{ N}$, lựa chọn danh mục thiết bị khí nén Festo, cảm biến Omron và PLC Mitsubishi FX3U đồng bộ. Mặc dù chưa chế tạo mô hình thực nghiệm phần cứng, tính khả thi của hệ thống đã được chứng minh thông qua giải pháp mô phỏng liên kết hoàn chỉnh giữa GX Works2, MX OPC Server và Festo FluidSim.