Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh tự do thương mại và chuỗi cung ứng hàng hóa phát triển mạnh mẽ, dịch vụ vận chuyển đóng vai trò then chốt trong việc bảo đảm chất lượng sản phẩm nguyên vẹn từ nhà sản xuất đến tay người tiêu dùng. Để bảo vệ hàng hóa, quá trình đóng gói và đai kiện đòi hỏi tính tỉ mỉ, đồng đều và chắc chắn. Tuy nhiên, tại các doanh nghiệp nhỏ và cơ sở sản xuất nông - công nghiệp, rào cản chi phí khiến việc đầu tư các dây chuyền đóng gói tự động ngoại nhập quy mô lớn gặp nhiều khó khăn. Trong ngành nông nghiệp, thao tác buộc các bó rau, củ, quả hay thùng nông sản phần lớn vẫn thực hiện thủ công, vừa tốn thời gian, năng suất thấp, vừa thiếu tính thẩm mỹ và tốn nhiều nhân công.

Ngược lại, các dòng máy đai kiện tự động công nghiệp hiện có trên thị trường thường có giá thành cao, kích thước cồng kềnh, tính cơ động kém, chỉ đóng siết hiệu quả với kiện hàng tải trọng nhất định (thường dưới 80 kg) và không linh hoạt trong việc thay đổi chiều dài dây hoặc loại dây đai polymer mỏng. Do đó, nhu cầu thực tiễn đặt ra là cần thiết kế, chế tạo một thiết bị buộc dây bán tự động có kết cấu gọn nhẹ, vận hành đơn giản, giá thành thấp, cho phép tùy biến độ dài dây phóng ra theo chu vi kiện hàng, kiểm soát được lực căng và nhiệt độ hàn nhiệt nhằm đáp ứng đa dạng yêu cầu đóng gói trong công nghiệp và nông nghiệp.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài gồm:

  1. Thiết kế, tính toán, chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình máy buộc dây polymer bán tự động đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật, độ an toàn và tính thẩm mỹ.
  2. Thiết kế hệ thống điều khiển cho phép điều chỉnh độ dài dây phóng ra (tối đa 2,5 m), điều chỉnh tốc độ phóng dây (tối đa 1,0 m/s), điều chỉnh lực siết dây (tối đa 45 N) và kiểm soát nhiệt độ hàn nóng chảy (tối đa 350°C).
  3. Thiết kế mạch công suất điều khiển đảo chiều động cơ DC bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) từ bộ điều khiển lập trình.
  4. Xây dựng giao diện người - máy (HMI) kết nối bộ điều khiển lập trình (PLC) nhằm thiết lập tham số, hiển thị trạng thái và giám sát trực quan toàn bộ chu trình làm việc của máy.
  5. Thực nghiệm, khảo sát độ ổn định và đánh giá các thông số làm việc của máy trên các mẫu bao bì carton và sản phẩm thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cơ điện tử và giải thuật điều khiển máy buộc dây polymer bán tự động, sử dụng hai loại dây đai chính là nhựa Polypropylene (PP) và Polyethylene Terephthalate (PET).
  • Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào bài toán cơ học lô cuốn dây, cơ cấu kẹp - cắt - ép hàn dây đai, mạch điều khiển động cơ DC dùng transistor công suất, hệ thống chấp hành điện khí nén, mạch đọc tín hiệu cảm biến dòng điện và cảm biến nhiệt độ, tích hợp nguồn khí nén và nguồn điện 24V một chiều.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật tác giả ứng dụng trong đề tài bao gồm:

  • Lý thuyết điều khiển lập trình logic: Sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 đóng vai trò trung tâm điều phối toàn bộ thuật toán logic tuần tự, điều khiển phát xung PWM và đọc các kênh analog.
  • Kỹ thuật giao tiếp người - máy (HMI): Xây dựng giao diện vận hành trên màn hình HMI INVT, kết nối truyền thông công nghiệp thông qua giao thức mạng nội bộ (LAN Port/Ethernet) để cài đặt tham số và hiển thị cảnh báo.
  • Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM): Ứng dụng điều khiển tốc độ và mô-men của động cơ điện một chiều thông qua mạch cầu công suất sử dụng MOSFET bán dẫn.
  • Lý thuyết đo lường mô-men gián tiếp: Sử dụng cảm biến dòng điện hiệu ứng Hall ACS712 để giám sát dòng tiêu thụ của động cơ DC, từ đó suy ra mô-men siết và dừng động cơ chính xác khi đạt lực căng định trước.
  • Cơ chế hàn nhiệt điện trở: Sử dụng thanh gia nhiệt bằng đồng kết hợp cảm biến nhiệt độ WZF-PT100 và bộ chuyển đổi tín hiệu SBWZ PT100 để kiểm soát dải nhiệt độ nung chảy bề mặt vật liệu polymer.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và tính toán kỹ thuật: Tính toán động học cơ cấu phóng - siết dây dựa trên chu vi con lăn; tính toán công suất động cơ dẫn động kéo dây; tính toán lực đẩy của xilanh khí nén cho các chuyển động kẹp, cắt, ép; tính toán dung lượng nguồn cung cấp và mạch bảo vệ đóng cắt.
  • Phương pháp thiết kế mô hình hóa: Thiết kế cơ khí chi tiết cho các cụm chức năng (lô cuốn, thanh trượt ngang kép, cụm ba dao); thiết kế sơ đồ nguyên lý phần điện, sơ đồ bố trí tủ điện và sơ đồ kết nối vào/ra (I/O).
  • Phương pháp thực nghiệm và khảo sát: Gia công cơ khí, lắp ráp phần cứng, đấu nối tủ điện, viết chương trình điều khiển và tiến hành đo đạc thực nghiệm các biến số kỹ thuật (độ dài dây phóng ra, tốc độ tời dây, lực siết tác động lên bề mặt thùng carton, các mức nhiệt độ nóng chảy và thời gian thực hiện một chu trình đóng gói).

Nguồn dữ liệu sử dụng:

  • Thông số kỹ thuật từ nhà sản xuất linh kiện công nghiệp: Động cơ DC Z5D90-24GN, bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200, HMI INVT, bộ nguồn xung Meanwell LRS-240-24, MOSFET 50N06, cảm biến dòng ACS712 30A, mạch giảm áp LM2596 3A, cảm biến PT100, aptomat BJS3020NA2 và khởi động từ CJX2-1801.
  • Dữ liệu cơ lý tính và nhiệt độ nóng chảy của các nhóm polymer phổ biến (PP, PE, PET, Nylon, PVC, Silicone).
  • Số liệu khảo sát thông số và báo giá thực tế của các dòng máy đai kiện thương mại trên thị trường (Viteko VK-VB2218, Wellpack CY-100, Mikyo MK-AP8060L, DBA-1300, PE T50).

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc phần cứng cơ khí

Hệ thống cơ khí của máy buộc dây polymer bán tự động được cấu tạo từ các phân hệ chính sau:

  • Khung và bàn làm việc: Thân máy làm bằng thép tấm sơn tĩnh điện, mặt bàn làm việc bằng inox (chiều dày từ 1,5 mm đến 3,0 mm), trang bị bánh xe bọc cao su chịu tải giúp máy di chuyển linh hoạt trong xưởng sản xuất.
  • Bộ phận lô cuốn dây: Bao gồm thanh dẫn hướng bằng kim loại dài 200 mm, rộng 20 mm; bộ hai con lăn thép không gỉ đường kính 40 mm, chu vi một vòng quay đạt 135 mm, có nhiệm vụ kẹp chặt dây đai. Trục con lăn liên kết với bộ 3 bánh răng nhựa chịu mòn (độ dày 16 mm, đường kính ngoài 43 mm, đường kính trong 15 mm, số răng 20 răng, tỉ lệ truyền 1:1 với trục động cơ) để truyền chuyển động quay thuận (phóng dây) và quay nghịch (siết dây).
  • Bộ phận điều chỉnh độ rộng dây: Bằng vật liệu inox, điều chỉnh thông qua hai vít định vị để dẫn hướng cho các cỡ dây từ 15 mm đến 30 mm đi thẳng vào cụm dao hàn.
  • Cụm ba dao chức năng: Chế tạo từ thép 45Cr tôi đạt độ cứng 65RC, bao gồm:
    • Đầu giữ dây (vị trí bên phải): Gia công bằng inox, đầu cùn không sắc, làm nhiệm vụ kẹp giữ đầu dây đai khi tiếp xúc công tắc hành trình.
    • Đầu cắt dây (vị trí bên trái): Kích thước dài 108 mm x rộng 20 mm x dày 16 mm, đường kính bi đỡ 20 mm, trục đỡ dài 26 mm, lỗ trục bi 0,3 mm, ren bắt vít 0,5 mm; làm nhiệm vụ cắt đứt dây sau khi hoàn tất chu trình hàn.
    • Đầu ép hàn dây (vị trí ở giữa): Kích thước dài 100 mm x rộng 21 mm x dày 21 mm, đường kính bi đỡ 20 mm, trục đỡ 26 mm; làm nhiệm vụ ép hai lớp dây nung chảy dính chặt vào nhau và giữ nguội.
  • Bộ phận dao gia nhiệt (thanh gia nhiệt): Gia công bằng vật liệu đồng nguyên khối nhằm tối ưu hóa khả năng truyền nhiệt, chịu nhiệt cao và chống biến dạng cơ học.
  • Bộ phận thanh trượt kép: Gồm thanh trượt trên và thanh trượt dưới chuyển động tịnh tiến ngược chiều nhau. Khi hàn, thanh trượt dưới rút lại để mở lối cho dao nhiệt đi vào; khi hàn và cắt xong, cả hai thanh trượt cùng lùi về sau để giải phóng đai, giúp vòng dây bật bung lên ôm chặt kiện hàng theo lực căng đàn hồi rồi tự động trở về vị trí ban đầu.

Kiến trúc phần điện và hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển được thiết kế theo sơ đồ khối tập trung, bảo đảm an toàn điện và độ nhạy tín hiệu:

  • Khối điều khiển trung tâm: Bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 tiếp nhận tín hiệu từ các công tắc hành trình, nút bấm vận hành và cảm biến, thực thi chương trình logic tuần tự và xuất tín hiệu điều khiển.
  • Khối giao diện vận hành: Màn hình cảm ứng HMI INVT hiển thị sơ đồ tổng quan, các thanh cài đặt chiều dài dây, lực siết, nút lựa chọn cấp tốc độ phóng dây, trạng thái các ngõ ra Output của PLC và đồ thị nhiệt độ thực tế.
  • Khối truyền động và công suất: Động cơ điện một chiều Z5D90-24GN (24V DC, công suất 90W) kết hợp mạch công suất bán dẫn sử dụng MOSFET 50N06, cho phép điều khiển tốc độ mịn màng và đảo chiều quay linh hoạt bằng tín hiệu PWM từ PLC.
  • Khối cảm biến và đo lường:
    • Cảm biến dòng điện hiệu ứng Hall ACS712 (dải đo 30A): Đấu nối tiếp với tải động cơ DC để đo dòng điện làm việc, truyền điện áp analog về PLC để xác định ngưỡng ngắt mô-men theo lực siết đặt trước.
    • Cảm biến nhiệt độ WZF-PT100 kết hợp bộ chuyển đổi nhiệt độ SBWZ PT100: Chuyển đổi tín hiệu nhiệt điện trở thành tín hiệu chuẩn để điều khiển đóng ngắt cấp nhiệt cho thanh gia nhiệt đồng.
    • Mạch hạ áp DC-DC LM2596 (3A): Cung cấp điện áp ổn định cho các mạch cảm biến và rơ-le phụ trợ.
  • Khối chấp hành khí nén: Sử dụng các dòng xilanh nhỏ gọn gồm xilanh kẹp/cắt CDJ2B10-50ZB, xilanh thanh trượt 2TY-TN10-75-s và xilanh đẩy dao nhiệt CDJ2B10-30ZB, kết hợp các cuộn van điện từ 24V.
  • Khối cấp nguồn và bảo vệ: Bộ nguồn tổ ong Meanwell LRS-240-24 (cung cấp điện áp 24V DC, công suất 240W), aptomat Panasonic BJS3020NA2 bảo vệ quá tải, ngắn mạch và khởi động từ công nghiệp CJX2-1801.
Phân hệ / Thiết bị Mã hiệu / Quy cách kỹ thuật Chức năng kỹ thuật trong hệ thống
Bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 Xử lý logic trung tâm, phát xung PWM, đọc analog
Màn hình vận hành HMI INVT (kết nối qua cổng LAN) Cài đặt thông số, giám sát chu trình và báo lỗi
Động cơ kéo dây DC Z5D90-24GN (24V DC, 90W) Dẫn động con lăn quay thuận (phóng) và nghịch (siết)
Mạch điều khiển công suất Module MOSFET 50N06 Đóng cắt xung PWM, đảo chiều dòng điện động cơ
Cảm biến dòng điện Hall ACS712 30A Giám sát dòng điện tải để điều khiển lực siết
Cảm biến nhiệt độ WZF-PT100 & Bộ chuyển đổi SBWZ Đo và khuếch đại tín hiệu nhiệt độ dao hàn nhiệt
Hệ thống xilanh khí nén CDJ2B10-50ZB, 2TY-TN10-75-s, CDJ2B10-30ZB Chấp hành tịnh tiến cụm kẹp, cụm cắt và thanh trượt
Bộ nguồn công nghiệp Meanwell LRS-240-24 (24V - 10A) Cung cấp nguồn một chiều ổn định cho toàn hệ thống
Khối đóng cắt bảo vệ Aptomat BJS3020NA2 & Contactor CJX2-1801 Bảo vệ ngắn mạch, chống rò và cách ly điện an toàn

Nguyên lý vận hành chu trình đóng đai

Quá trình làm việc của máy thực hiện tuần tự qua các giai đoạn:

  1. Thiết lập tham số: Người thao tác nhập chiều dài dây cần phóng (tính theo số vòng quay của động cơ), cấp tốc độ và lực siết yêu cầu lên màn hình HMI; xoay núm điều chỉnh nhiệt độ trên thân máy tương ứng với loại dây polymer sử dụng.
  2. Khởi động và phóng dây: Khi thanh gia nhiệt đạt nhiệt độ đặt hiển thị trên HMI, nhấn nút Start. Động cơ Z5D90-24GN quay thuận làm bộ bánh răng và con lăn quay, đẩy dây phóng ra mặt bàn làm việc theo độ dài đã định.
  3. Luồn dây và kẹp đầu đai: Người thao tác vòng dây qua thùng hàng, luồn đầu dây vào khe rãnh dẫn hướng đến khi chạm công tắc hành trình. Tín hiệu công tắc kích hoạt cơ cấu dao bên phải đẩy lên, kẹp chặt cố định đầu dây đai.
  4. Rút siết dây: Thanh trượt dưới rút lùi lại, đồng thời PLC điều khiển động cơ quay nghịch với tốc độ cao để thu hồi dây thừa, siết chặt dây vào kiện hàng. Cảm biến ACS712 liên tục gửi giá trị dòng điện về PLC; khi dòng đạt ngưỡng lực siết đã cài đặt, PLC lập tức ngắt động cơ.
  5. Kẹp đuôi dây và gia nhiệt: Cơ cấu dao bên trái nâng lên giữ chặt đoạn dây sau khi siết. Xilanh khí nén đẩy dao gia nhiệt bằng đồng tiến vào giữa hai mặt dây đai trên và dưới; nhiệt lượng làm nóng chảy nhanh bề mặt vật liệu nhựa trong thời gian tính bằng mili-giây.
  6. Ép dính, cắt đứt và bung đai: Dao nhiệt lùi về vị trí chờ. Ngay lập tức, cơ cấu dao ép ở giữa nâng lên ép chặt hai bề mặt nóng chảy lại với nhau để hàn nguội, đồng thời dao cắt tác động cắt rời đoạn dây nối với cuộn cấp. Thanh trượt trên rút về phía sau, giải phóng vòng dây để đai bật lên ôm khít thùng carton. Hai thanh trượt trở về vị trí gốc, động cơ tiếp tục phóng đoạn dây mới để chuẩn bị cho chu trình tiếp theo.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về thiết bị buộc dây polymer

Chương 1 hệ thống hóa toàn bộ bức tranh công nghệ đóng gói đai kiện, phân tích chi tiết ưu nhược điểm giữa phương pháp thủ công và thiết bị tự động. Tác giả chỉ ra rằng buộc thủ công có chi phí đầu tư ban đầu thấp, đóng gói được kiện hàng quá khổ nhưng phụ thuộc nhiều nhân công, sai số cao và không đáp ứng kịp các đơn hàng khối lượng lớn. Trong khi đó, máy buộc dây tự động mang lại năng suất cao (một máy đai tương đương 4 lao động thủ công), bảo vệ hàng hóa ổn định, vết hàn đồng đều nhưng có nhược điểm là chi phí chế tạo cao và kích thước cồng kềnh.

Chương này cũng tổng hợp các đặc tính cơ lý và nhiệt độ nóng chảy của 7 nhóm vật liệu dây đai polymer phổ biến dùng trong công nghiệp:

Tên loại dây đai Polymer Đặc tính cơ lý chính Dải nhiệt độ nóng chảy (°C)
Dây Nylon (Polyamide) Độ bền kéo cao, chống mài mòn, chịu lực tốt 190°C – 350°C
Dây Polyester Chịu tia UV, ít co giãn, kháng hóa chất và mài mòn 250°C – 265°C
Dây Polypropylene (PP) Trọng lượng nhẹ, chống hóa chất, không thấm nước 160°C – 170°C
Dây Polyethylene (PE) Rất bền, chống tia UV, cách điện tốt LDPE: 105°C – 115°C; HDPE: 130°C – 137°C
Dây Polyvinyl Chloride (PVC) Chống cháy, kháng hóa chất, độ bền cơ học cao 100°C – 260°C
Dây Silicone Dẻo dai, chịu nhiệt rất cao, cách điện vượt trội 200°C – 250°C
Dây PET Rất dẻo dai, chịu lực kéo căng lớn, độ bền cao Hóa mềm: 67°C – 81°C; Nóng chảy: 260°C

Đồng thời, tác giả khảo sát cấu trúc các dòng máy thương mại tiêu biểu như máy buộc dây mềm, máy PE T50, máy đai cầm tay dùng pin, máy đai pallet bán tự động DBA-1300 và lập bảng so sánh thông số kỹ thuật của 3 dòng máy đại diện:

Thông số kỹ thuật Viteko VK-VB2218 Wellpack CY-100 Mikyo MK-AP8060L
Xuất xứ Trung Quốc Đài Loan Trung Quốc
Nguồn điện sử dụng 220V - 50Hz 220V - 50/60Hz 380V - 50/60Hz (0,5 kVA)
Công suất tiêu thụ 0,33 kW 0,33 kW Tiêu chuẩn công nghiệp
Loại dây đai sử dụng Dây OPP (bản rộng 12 mm, dày 0,2 mm) Dây nilon PE28 Dây nhựa (bản rộng 9 – 15 mm)
Lực siết đai tối đa Tối đa 5 kg Cố định theo mẫu đóng gói 100 – 600 N (điều chỉnh được)
Tốc độ đóng đai 1,5 giây / đai 1,2 giây / vòng Tối đa 30 thùng / phút (2,0 giây / đai)
Kích thước làm việc Bàn 22 x 18 cm, cao 18 cm Tối đa 1000 x 600 mm; Tối thiểu 200 x 160 mm Khung vòm uốn cong 800 x 600 mm
Trọng lượng thiết bị 25 kg 200 kg 250 kg
Giá thành tham khảo 31.500.000 VNĐ 30.000.000 VNĐ 120.000.000 VNĐ

Chương 2: Thiết kế, tính toán lựa chọn các phần tử cấu trúc của máy buộc dây polymer bán tự động

Chương 2 giải quyết toàn bộ bài toán công nghệ đặt ra theo các yêu cầu kỹ thuật biên:

  • Tốc độ phóng dây lớn nhất: 1,0 m/s.
  • Độ dài dây phóng ra lớn nhất: 2,5 m (phù hợp với chu vi các thùng hàng kích thước trung bình và lớn).
  • Lực siết dây lớn nhất: 45 N.
  • Nhiệt độ hàn tối đa: 350°C.

Trong phần thiết kế cơ khí, chương 2 đưa ra các bản vẽ cấu trúc và thông số kích thước cụ thể:

  • Cụm con lăn kẹp dây gồm hai con lăn inox đường kính 40 mm, chu vi một vòng quay đạt đúng 135 mm, cho phép tính toán chính xác số vòng quay động cơ tương ứng với chiều dài dây phóng ra (tỉ lệ truyền bánh răng 1:1).
  • Bộ bánh răng nhựa gồm 3 bánh răng cùng kích cỡ (đường kính ngoài 43 mm, đường kính trong 15 mm, dày 16 mm, 20 răng) bằng vật liệu nhựa chịu mài mòn, dễ dàng tháo lắp thay thế sau chu kỳ vận hành 1,5 năm (tương đương 8 giờ/ngày).
  • Cụm ba dao chức năng bằng thép 45Cr tôi cứng 65RC gồm dao giữ cố định, dao cắt kích thước 108 x 20 x 16 mm và dao ép hàn kích thước 100 x 21 x 21 mm.
  • Thanh gia nhiệt bằng đồng có khả năng tích nhiệt và truyền dẫn nhiệt nhanh, hạn chế bám dính nhựa cháy.

Trong phần thiết kế điện, tác giả tính toán lựa chọn: động cơ DC Z5D90-24GN điều khiển qua mạch cầu MOSFET 50N06; bộ xử lý trung tâm PLC Siemens S7-1200 kết hợp màn hình HMI INVT; cảm biến dòng Hall ACS712 loại 30A đo dòng tải motor; cảm biến nhiệt WZF-PT100 qua bộ biến đổi SBWZ PT100; xilanh CDJ2B10-50ZB, 2TY-TN10-75-s, CDJ2B10-30ZB; khối nguồn Meanwell LRS-240-24 cùng thiết bị bảo vệ aptomat BJS3020NA2 và khởi động từ CJX2-1801.

Chương 3: Lắp ráp, lập trình điều khiển và khảo sát sự làm việc của máy

Chương 3 trình bày các bước thi công thực tế từ lắp ráp khung cơ khí, chế tạo và bố trí thiết bị bên trong tủ điện (phân bố khoa học tại thân trái, thân phải, đáy và mặt cửa tủ điện). Giao diện vận hành HMI INVT được lập trình gồm các trang chức năng: giới thiệu đề tài, màn hình cài đặt tham số (thanh trượt điều chỉnh chiều dài dây, thanh trượt cài đặt lực siết, nút chọn tốc độ phóng dây, nút Start/Stop và bảng hiển thị giám sát các ngõ ra Output của PLC).

Chương trình điều khiển PLC được xây dựng theo lưu đồ thuật toán khép kín, xử lý việc phát xung PWM, đọc tín hiệu dòng điện analog từ cảm biến ACS712 để so sánh với ngưỡng đặt lực siết, và kiểm soát thời gian làm việc của các van điện từ khí nén.

Phần khảo sát thực nghiệm ghi nhận các bảng đo kiểm chi tiết:

  • Khảo sát độ dài dây: Đo đạc thực tế chiều dài dây phóng ra theo số vòng quay động cơ, sai số nằm trong giới hạn cho phép của bài toán đóng gói.
  • Khảo sát tốc độ phóng dây và lực siết: Đo dòng tải động cơ tương ứng với các cấp lực siết, quan sát độ lún của đai nhựa vào thành thùng carton để đánh giá độ chắc chắn của kiện hàng.
  • Khảo sát các mức nhiệt độ tương ứng với núm xoay của bộ điều chỉnh nhiệt:
    • Mức 4: Nhiệt độ đo được là 100°C.
    • Mức 5: Nhiệt độ đo được là 140°C.
    • Mức 6: Nhiệt độ đo được là 170°C (phù hợp cho dây PP nung chảy ngấu).
    • Mức 7: Nhiệt độ đo được là 200°C.
    • Mức 8, 9, 10: Dải nhiệt độ cao tăng dần lên tới ngưỡng 350°C (dùng cho các loại polymer chịu nhiệt cao như PET hoặc mối hàn dày).
  • Khảo sát thời gian một chu trình làm việc: Toàn bộ quá trình từ lúc phóng dây, siết đai, nung hàn, ép cắt cho đến khi bung dây diễn ra nhanh chóng, đáp ứng yêu cầu nâng cao năng suất đóng gói.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính của đề tài:

  • Chế tạo thành công mô hình máy buộc dây polymer bán tự động hoàn chỉnh về cơ khí và hệ thống điều khiển điện khí nén, hoạt động ổn định và an toàn.
  • Kiểm soát chính xác chiều dài dây phóng ra theo cài đặt trên HMI thông qua số vòng quay động cơ (lô cuốn đường kính 40 mm, chu vi 135 mm, độ dài dây phóng tối đa đạt 2,5 m).
  • Điều khiển được tốc độ phóng dây lên tới 1,0 m/s và lực siết dây đạt tối đa 45 N nhờ giải thuật giám sát dòng điện qua cảm biến Hall ACS712 30A.
  • Kiểm soát dải nhiệt độ hàn nóng chảy linh hoạt từ 100°C đến 350°C thông qua bộ điều chỉnh nhiệt và cảm biến PT100; xác định được mức nhiệt độ tối ưu cho dây đai PP là 170°C (tại mức 6 trên bộ điều khiển), giúp mối hàn ngấu đều, kết dính bền chặt, không bị cháy khét hay giòn gãy.
  • Tối ưu hóa chu trình đóng gói thông qua cơ cấu hai thanh trượt ngang rút nhịp nhàng, giúp mối đai tự động bung lên ôm sát bề mặt thùng carton mà không cần thao tác gỡ thủ công.

Giải pháp và kiến nghị kỹ thuật đề xuất:

  • Sử dụng nhựa chịu mài mòn cao để gia công cụm 3 bánh răng dẫn động, giúp giảm tiếng ồn, giảm chi phí gia công và dễ dàng thay thế định kỳ sau 1,5 năm sử dụng.
  • Chế tạo dao gia nhiệt bằng vật liệu đồng nguyên khối thay cho các thanh kim loại thông thường nhằm nâng cao hiệu suất truyền nhiệt, giảm thiểu tình trạng đọng bám mạt nhựa PP/bột đá và tiết kiệm điện năng tiêu thụ.
  • Vệ sinh định kỳ mỏ hàn nhiệt và bôi trơn cụm ba dao (thép 45Cr tôi cứng 65RC) để tránh hiện tượng mẻ dao hoặc vết cắt dây đai bị xơ sước.

Đóng góp kỹ thuật do tác giả tự nêu:

  • Làm chủ quy trình thiết kế và chế tạo một thiết bị đóng gói bán tự động có chi phí sản xuất thấp hơn nhiều so với các dòng máy nhập khẩu trên thị trường.
  • Tích hợp thành công giao diện HMI với PLC Siemens S7-1200 trong việc số hóa các thông số đóng gói (chiều dài dây, lực căng, nhiệt độ), khắc phục nhược điểm của các dòng máy bán tự động giá rẻ vốn chỉ dùng nút bấm cơ học và chiết áp không hiển thị số liệu cụ thể.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Thao tác vòng dây qua thùng hàng và đưa đầu dây vào rãnh dẫn hướng vẫn cần sự can thiệp thủ công của người vận hành, máy chưa đạt mức tự động hóa hoàn toàn có khung dẫn đai vòm khép kín.
  • Thiết bị chỉ phù hợp để đóng gói các kiện hàng hoặc sản phẩm nông sản có kích thước và khối lượng vừa phải (dưới 80 kg); các sản phẩm quá khổ hoặc tải trọng siêu nặng trên pallet chưa thể áp dụng mô hình này.
  • Bánh răng nhựa và cụm dao cắt - ép vẫn là các chi tiết chịu ma sát cơ học cao, đòi hỏi phải kiểm tra, bảo dưỡng và thay mới định kỳ sau thời gian dài vận hành liên tục.

Hướng phát triển tiếp theo được đề cập:

  • Nghiên cứu thiết kế thêm hệ thống khung vòm dẫn đai tự động để nâng cấp máy từ chế độ bán tự động lên tự động hoàn toàn, người vận hành chỉ cần đặt sản phẩm lên bàn là máy tự phát hiện và buộc dây.
  • Cải tiến thuật toán điều khiển lực siết thông qua việc sử dụng động cơ servo hoặc động cơ bước có encoder phản hồi vị trí và mô-men chính xác hơn thay cho việc đọc dòng gián tiếp qua cảm biến Hall.
  • Mở rộng cơ chế điều chỉnh kích thước thanh dẫn hướng để tương thích thêm nhiều định dạng dây polymer chuyên dụng khác nhau trên cùng một kết cấu máy.

Giá trị tham khảo

Đề tài là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và Chế tạo máy khi làm đồ án tốt nghiệp, đồ án môn học hoặc nghiên cứu chế tạo các hệ thống đóng gói, tời siết vật liệu.
  • Kỹ sư thiết kế máy công nghiệp: Tham khảo các tính toán cụ thể về cơ cấu lô cuốn dây, tỉ lệ truyền bánh răng, thiết kế cụm ba dao chức năng bằng thép 45Cr tôi cứng 65RC và giải pháp điều khiển động cơ DC dùng mạch công suất MOSFET kết hợp cảm biến dòng ACS712.
  • Các cơ sở sản xuất cơ khí vừa và nhỏ: Cung cấp sơ đồ đấu nối tủ điện hoàn chỉnh, phương pháp lập trình kết nối PLC Siemens S7-1200 với HMI INVT qua cổng mạng LAN, cùng quy trình tích hợp các phần tử khí nén và cảm biến nhiệt độ PT100 trong môi trường công nghiệp thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu điều khiển độ dài dây phóng ra của máy hoạt động dựa trên nguyên lý kỹ thuật nào?

Độ dài dây phóng ra được xác định dựa trên việc điều khiển số vòng quay của động cơ DC Z5D90-24GN thông qua PLC. Bộ con lăn kẹp dây có đường kính 40 mm, chu vi một vòng quay bằng 135 mm và liên kết với bánh răng động cơ theo tỉ lệ truyền 1:1. Khi động cơ quay một vòng, chiều dài dây được tời ra đúng bằng 135 mm. Người thao tác chỉ cần cài đặt độ dài mong muốn trên màn hình HMI (tối đa 2,5 m), PLC sẽ tự động tính toán số vòng quay tương ứng để phát lệnh dừng động cơ chính xác.

2. Lực siết dây đai được đo lường và giới hạn tự động bằng giải pháp nào?

Lực siết đai được kiểm soát gián tiếp thông qua mô-men của động cơ kéo khi quay ngược chiều. Một cảm biến dòng điện hiệu ứng Hall ACS712 (dải đo 30A) được đấu nối tiếp với mạch cấp nguồn động cơ để đo dòng điện tiêu thụ. Khi dây siết chặt vào thùng carton, tải cơ học tăng làm dòng điện động cơ tăng theo. Tín hiệu điện áp analog từ ACS712 gửi về PLC; khi giá trị này chạm ngưỡng tương ứng với lực siết đã cài đặt trên HMI (tối đa 45 N), PLC lập tức ngắt xung điều khiển động cơ và kích hoạt xilanh kẹp giữ đuôi dây.

3. Cụm dao chức năng (giữ, ép hàn, cắt) có thông số kỹ thuật và vật liệu chế tạo như thế nào?

Cụm ba dao được chế tạo từ thép hợp kim 45Cr tôi đạt độ cứng 65RC nhằm chống mài mòn khi tiếp xúc liên tục với lực ma sát cao. Thông số chi tiết gồm:

  • Dao giữ dây: Chế tạo bằng inox, đầu cùn không sắc để kẹp cố định đầu dây đai.
  • Dao cắt dây: Chiều dài 108 mm x rộng 20 mm x dày 16 mm, đường kính bi đỡ 20 mm, chiều dài trục đỡ bi 26 mm, lỗ trục bi 0,3 mm, ren bắt vít 0,5 mm.
  • Dao ép hàn dây: Chiều dài 100 mm x rộng 21 mm x dày 21 mm, đường kính bi 20 mm, trục đỡ 26 mm, lỗ trục bi 0,3 mm.

4. Tại sao dao gia nhiệt được làm bằng đồng và các mức nhiệt độ khảo sát trên thực tế là bao nhiêu?

Dao gia nhiệt được chế tạo bằng đồng nguyên khối vì đồng có hệ số dẫn nhiệt và tích nhiệt rất cao, chịu được môi trường nung nóng liên tục và hạn chế biến dạng cơ học. Các mức nhiệt độ tương ứng với bộ điều chỉnh nhiệt độ trên máy được ghi nhận qua thực nghiệm gồm: mức 4 đạt 100°C; mức 5 đạt 140°C; mức 6 đạt 170°C (nhiệt độ tối ưu để hàn nóng chảy dây đai nhựa PP); mức 7 đạt 200°C; và các mức 8, 9, 10 tiếp tục nâng cao dải nhiệt độ lên đến ngưỡng tối đa 350°C để đáp ứng các loại dây polymer có nhiệt độ nóng chảy cao hơn như PET.

5. Hệ thống sử dụng bộ điều khiển và giao thức truyền thông nào để liên kết thiết bị?

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình logic PLC Siemens S7-1200 đóng vai trò trung tâm điều khiển toàn bộ phần cứng, xuất tín hiệu PWM cho mạch công suất MOSFET 50N06 và điều khiển các van điện từ khí nén. Giao diện vận hành là màn hình cảm ứng HMI INVT, được kết nối trực tiếp với PLC S7-1200 thông qua cổng mạng nội bộ (LAN Port/Ethernet), cho phép truyền nhận dữ liệu cài đặt và giám sát trạng thái ngõ vào/ra theo thời gian thực mà không bị nhiễu công nghiệp.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Đào Văn Đạt đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế, tính toán và chế tạo thực nghiệm máy buộc dây polymer bán tự động với các thông số làm việc đạt yêu cầu kỹ thuật (dây phóng tối đa 2,5 m, lực siết tối đa 45 N, nhiệt độ hàn tối đa 350°C). Việc kết hợp bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200, màn hình HMI INVT, mạch công suất MOSFET và cảm biến dòng Hall ACS712 mang lại giải pháp đóng gói linh hoạt, kiểm soát tốt chất lượng mối hàn và độ căng dây đai. Kết quả nghiên cứu không chỉ hoàn thiện một sản phẩm cơ điện tử có khả năng ứng dụng thực tế trong đóng gói công nghiệp và nông nghiệp, mà còn cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho công tác đào tạo và nghiên cứu chuyên ngành Tự động hóa.