Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa hiện nay, việc ứng dụng các dây chuyền sản xuất tự động đóng vai trò then chốt nhằm giảm thiểu chi phí sản xuất, gia tăng năng suất lao động và chuẩn hóa chất lượng sản phẩm. Đối với ngành xây dựng và trang trí nội thất – ngoại thất, sơn nước là loại vật liệu bảo vệ bề mặt và tạo thẩm mỹ quan trọng. Màu sắc cùng độ đồng đều của sơn quyết định trực tiếp đến giá trị của công trình.

Tuy nhiên, tại nhiều cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ hoặc tại các điểm phân phối, quá trình pha màu sơn phần lớn vẫn được thực hiện bằng phương pháp thủ công, dựa vào kinh nghiệm cảm quan của người thợ. Phương pháp này bộc lộ nhiều hạn chế: độ chính xác kém, độ lệch màu giữa các mẻ pha cao, năng suất lao động thấp và tiêu hao nhiều thời gian cũng như sức lao động. Các hệ thống pha màu tự động công nghiệp nhập khẩu lại có giá thành cao, chưa tối ưu cho quy mô nhỏ. Nhằm giải quyết các bất cập trên, đề tài tốt nghiệp mã số CDT-22 mang tên "Thiết kế, chế tạo hệ thống pha màu sơn nước, đóng nắp lon tự động" đã được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Xây dựng mô hình phần cứng hoàn chỉnh, cơ cấu cơ khí được thiết kế chắc chắn, vận hành ổn định và đảm bảo độ chính xác cũng như tính thẩm mỹ.
  2. Tự động hóa hoàn toàn quy trình cấp phôi lon và cấp nắp lon vào các vị trí gia công trên dây chuyền.
  3. Kiểm soát chính xác thể tích chiết rót của từng màu thành phần, đảm bảo chất lượng màu sắc pha ra đạt độ đồng đều và chuẩn xác theo công thức định trước.

Nhiệm vụ và các thông số kỹ thuật ban đầu của đề tài:

  • Hệ thống có khả năng phối trộn được 20 màu sơn khác nhau.
  • Năng suất hoạt động thiết kế đạt 90 lon/giờ.
  • Hệ thống được điều khiển trung tâm bằng PLC Siemens S7-1200 và giám sát vận hành thông qua giao diện HMI kết hợp Webserver nội bộ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình công nghệ và hệ thống cơ điện tử tự động pha màu sơn nước, cấp phôi, chiết rót, đóng nắp và lắc trộn sơn lon.
  • Phạm vi nghiên cứu: Mô hình phục vụ loại lon sơn kích thước tiêu chuẩn 75 mm x 75 mm, khối lượng chứa 0,5 kg; cơ cấu chứa cấp lon rỗng và cấp nắp tự động có sức chứa tối đa 5 đơn vị mỗi mẻ nạp; phạm vi điều khiển và giám sát qua Webserver giới hạn trong mạng nội bộ (LAN).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ sản xuất

Hệ thống được xây dựng dựa trên các cơ sở lý thuyết về hóa lý của sơn nước và quang học pha màu:

  • Tổng quan về sơn nước: Sơn nước là hệ phân tán gồm nước, chất kết dính (nhựa acrylate hoặc latex), hợp chất phụ gia và bột màu. Sơn nước có ưu tính là an toàn môi trường, không chứa hợp chất hữu cơ bay hơi độc hại (VOC), nhanh khô và dễ làm sạch.
  • Quy trình sản xuất sơn công nghiệp tiêu chuẩn: Bao gồm 5 công đoạn cơ bản: (1) Chuẩn bị nguyên liệu $\rightarrow$ (2) Pha trộn hỗn hợp $\rightarrow$ (3) Điều chỉnh chất lượng (độ nhớt, độ phủ, màu sắc) $\rightarrow$ (4) Quá trình sản xuất $\rightarrow$ (5) Đóng gói thành phẩm.
  • Quy luật pha màu: Đồ án áp dụng hai quy luật phối màu cơ bản:
    • Quy luật cộng màu (Hệ RGB): Áp dụng cho nguồn sáng (kết hợp Đỏ - Red, Lục - Green, Lam - Blue).
    • Quy luật trừ màu (Hệ CMYK): Áp dụng cho vật liệu chất màu (Pigment), dựa trên các màu cơ bản Lục lam (Cyan), Hồng cánh sen (Magenta), Vàng (Yellow) và Đen (Key/Black). Khi phối trộn các màu bậc 1 (Vàng, Đỏ, Lam) theo tỷ lệ xác định sẽ tạo thành các màu bậc 2 (Tím, Lục, Cam) và các màu thứ cấp tiếp theo.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật

Tác giả đã kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và tính toán chuyên ngành Cơ điện tử:

  • Phương pháp tính toán động học và động lực học cơ khí: Thiết lập công thức tính toán công suất động cơ băng tải truyền động, tính chọn đường kính và hành trình xilanh khí nén, tính toán lực nâng chân không cho giác hút nắp lon.
  • Phương pháp phân tích ứng suất và phần tử hữu hạn (FEA): Sử dụng các phần mềm Autodesk Inventor và SolidWorks để mô hình hóa 3D toàn bộ cụm kết cấu, phân tích ứng suất Von Mises, mô phỏng biến dạng/chuyển vị và kiểm tra hệ số an toàn (Factor of Safety - FOS) của các khung giá chịu lực.
  • Phương pháp điều khiển logic lập trình: Thiết kế lưu đồ giải thuật cho chương trình chính và các chương trình con; lập trình điều khiển trung tâm trên PLC Siemens S7-1200; tích hợp truyền thông điều khiển giám sát HMI và Webserver.
  • Phương pháp định lượng lưu lượng chất lỏng: Ứng dụng phương trình dòng chảy $Q = A \cdot v$ kết hợp vận tốc Bernoulli $v = \sqrt{2gh}$ và thuật toán đếm xung tốc độ cao từ cảm biến cánh quạt Hall để quy đổi thể tích ra số xung nguyên, kết hợp thuật toán bù trễ thời gian đóng van cho phần xung lẻ.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được phân rã thành 5 cụm cơ cấu cơ khí chính kết hợp cùng hệ thống điều khiển điện tử và khí nén:

[Bể chứa sơn 4 màu] ---> [Cụm chiết rót (4 Bơm + 4 Van + 4 Cảm biến YF-S201)]

1. Cụm truyền động băng tải chính

Băng tải vận chuyển lon sơn có kích thước 75 mm x 75 mm với tải trọng phân bố $G = 0,5\text{ kg}$. Chiều dài băng tải $L = 0,8\text{ m}$, bề rộng $B = 0,1\text{ m}$, đường kính trục tang $D = 36\text{ mm}$, vận tốc làm việc $v = 0,1\text{ m/s}$ (tương đương $6\text{ m/phút}$), chu kỳ cấp lon $50\text{ s}$.

  • Trọng lượng 1 mét dài băng tải: $q = 5\text{ kg/m}$.
  • Công suất cần thiết trên trục làm việc: $P_{\text{lv}} = 0,096\text{ kW}$.
  • Hiệu suất chung của hệ thống: $\eta = \eta_{\text{đ}} \cdot \eta_{\text{kn}} \cdot \eta_{\text{ol}} = 0,95 \cdot 0,98 \cdot 0,99 = 0,93$.
  • Công suất yêu cầu trên trục động cơ: $P_{\text{ctdc}} = \frac{0,096}{0,93} \approx 0,11\text{ kW}$.
  • Động cơ được chọn kết hợp cùng bộ truyền đai có tỉ số truyền $u = 2,8$.

2. Cụm cấp lon tự động

Lon rỗng được xếp chồng trong ống trụ dẫn hướng đường kính $100\text{ mm}$. Cơ cấu đẩy lon sử dụng xilanh khí nén kép có hành trình $L_{\text{xl}} = 150\text{ mm}$, đường kính nòng $D = 16\text{ mm}$, làm việc ở áp suất $P = 8\text{ bar}$ ($800.000\text{ N/m}^2$), lực đẩy thiết kế $F = 10\text{ N}$, thời gian duỗi $3\text{ s}$, thời gian co $5\text{ s}$, gắn cố định trên khung nhôm định hình.

3. Cụm chiết rót định lượng

Bao gồm bể chứa 4 ngăn (thể tích tối đa mỗi bồn là $1,94\text{ lít}$), 4 bơm màng, 4 van điện từ nước $220\text{VAC}$ thường đóng và 4 cảm biến lưu lượng YF-S201. Đầu vòi xả được định vị qua tấm mica 4 lỗ cố định phía trên lon.

  • Kiểm nghiệm khung chiết rót bằng Inventor (tải trọng thử nghiệm $100\text{ N}$): Ứng suất phá hủy lớn nhất đạt $1,137\text{ MPa}$ (nhỏ hơn nhiều so với ứng suất cho phép $240\text{ MPa}$ của nhôm định hình); chuyển vị cực đại tại trung tâm thanh đỡ là $0,046\text{ mm}$; hệ số an toàn nhỏ nhất $\text{Min FOS} = 15 > 3$.

4. Cụm cấp nắp và dập nắp

  • Cơ cấu hút chân không: Nắp lon có khối lượng $m = 0,1\text{ kg}$, gia tốc nâng $a = 5\text{ m/s}^2$, gia tốc trọng trường $g = 9,8\text{ m/s}^2$, hệ số an toàn $S = 2$. Lực nâng lý thuyết cần thiết: $F_{\text{th}} = m(g + a)S = 0,1 \cdot (9,8 + 5) \cdot 2 = 2,96\text{ N} \approx 3\text{ N}$. Lực nâng tạo ra từ giác hút chân không đạt $W = 14\text{ N}$ (với hệ số an toàn bề mặt ngang $t \ge 4$), đảm bảo giữ nắp chắc chắn.
  • Xilanh nâng hạ theo phương đứng: Xilanh kép đường kính $16\text{ mm}$, hành trình $100\text{ mm}$.
  • Cơ cấu dịch chuyển ngang: Sử dụng xilanh nòng $16\text{ mm}$, hành trình $100\text{ mm}$, áp suất $7\text{ bar}$, lực kéo về $F_{\text{về}} = 86\text{ N}$, liên kết bánh xe V-slot chạy trên thanh nhôm định hình. Phân tích FEA trên SolidWorks cho thấy: ứng suất cực đại $41,74\text{ MPa} < 240\text{ MPa}$, chuyển vị cực đại tại đỉnh giá đỡ $1,178\text{ mm}$, hệ số an toàn $\text{Min FOS} = 6,59 > 3$.
  • Xilanh dập nắp: Xilanh tròn đường kính $D = 25\text{ mm}$, hành trình $100\text{ mm}$, tạo lực ép dập $F = 200\text{ N}$ ở áp suất $7\text{ bar}$. Kết quả phân tích độ bền cùm giữ: ứng suất lớn nhất $3,526\text{ MPa} < 380\text{ MPa}$, chuyển vị $0\text{ mm}$, $\text{FOS} > 3$.

5. Cụm lắc trộn sơn

Lon sau khi dập kín nắp được xilanh nòng $D = 12\text{ mm}$, hành trình $100\text{ mm}$ (lực đẩy $50\text{ N}$) đẩy vào hộp lắc. Hộp lắc được dẫn động bằng động cơ giảm tốc DC để đảo đều sơn. Sau khi trộn xong, đầu xilanh tích hợp nam châm điện sẽ kích hoạt hút vỏ lon kéo ra lại băng tải chính. Cảm biến tiệm cận kim loại đảm nhận việc đếm chính xác số vòng quay của hộp lắc.

6. Cấu trúc phần cứng điều khiển và danh mục thiết bị

STT Thiết bị / Linh kiện Mã hiệu / Quy cách Số lượng Chức năng trong hệ thống
1 Bộ điều khiển PLC Siemens SIMATIC S7-1200 01 Xử lý trung tâm, điều khiển logic và thuật toán chiết rót
2 Cảm biến lưu lượng YF-S201 (Cánh quạt / Hall) 04 Đo lưu lượng sơn chiết rót từ 4 bồn chứa
3 Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 04 Phát hiện và định vị vị trí lon tại các trạm
4 Cảm biến tiệm cận kim loại LJ12A3-4-Z/AX DC (PNP-NO) 01 Đếm số vòng quay của cơ cấu hộp lắc trộn
5 Van điện từ chất lỏng Loại $220\text{VAC}$ thường đóng 04 Đóng/ngắt dòng chảy sơn chiết rót
6 Van điện từ khí nén SMC SY3120 (Van 5/2) 07 Điều khiển đóng/mở các xilanh khí nén
7 Van hút chân không Loại dùng khí nén tạo Ejector 01 Cấp áp suất âm cho giác hút nắp
8 Xilanh khí nén kép Airtac TN series ($\varnothing 16$) 04 Cấp lon, nâng hạ nắp, trượt ngang
9 Xilanh khí nén tròn PVN series ($\varnothing 12, \varnothing 25$) 03 Dập nắp lon, đẩy/kéo lon vào buồng lắc
10 Động cơ giảm tốc băng tải SPG kết hợp Motor DC 01 Dẫn động băng tải chuyển phôi chính
11 Động cơ giảm tốc hộp lắc S1-ST026 01 Truyền động lắc trộn lon sơn
12 Driver điều khiển DM556 01 Điều khiển động cơ bước

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Chương 1 làm rõ tính cấp thiết của việc áp dụng tự động hóa vào sản xuất sơn nước trong thời kỳ công nghiệp hóa. Tác giả phân tích những hạn chế của phương pháp pha màu thủ công tại các cơ sở hiện nay, xác định mục tiêu thiết kế hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh có khả năng phối trộn 20 màu sơn, đạt năng suất 90 lon/giờ, kiểm soát bằng PLC S7-1200 và giao diện HMI/Webserver. Phạm vi đề tài được giới hạn ở loại lon sơn 75 mm x 75 mm, cơ cấu cấp lon và nắp tự động chứa tối đa 5 sản phẩm/lần nạp.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trình bày lý thuyết tổng quan về thành phần của sơn nước (nhựa acrylate, latex, phụ gia), ưu điểm không chứa VOC, độ nhớt và tính thẩm mỹ. Phân tích chi tiết quy trình 5 bước sản xuất sơn tiêu chuẩn. Trình bày lý thuyết quang học về màu sắc, phân biệt quy luật cộng màu RGB đối với ánh sáng và quy luật trừ màu CMYK đối với chất màu (pigment), cùng các phương pháp pha màu sơn theo tỷ lệ và bảng màu quy chuẩn.

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG PHA TRỘN SƠN

Nội dung chương tập trung vào việc tính toán thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển:

  • Phân tích động lực học và chọn động cơ băng tải ($P_{\text{ctdc}} = 0,11\text{ kW}$).
  • Tính toán lực và chọn xilanh khí nén cho 5 cụm chức năng (cấp lon $\varnothing 16$, chiết rót, trượt ngang $\varnothing 16$, dập nắp $\varnothing 25$, đẩy hộp trộn $\varnothing 12$).
  • Kiểm nghiệm ứng suất Von Mises và chuyển vị bằng Inventor và SolidWorks cho khung chiết rót ($\text{FOS} = 15$), khung trượt ngang ($\text{FOS} = 6,59$) và cùm xilanh dập nắp ($\text{FOS} > 3$).
  • Xây dựng sơ đồ khối hệ thống điều khiển, lưu đồ giải thuật chương trình chính và các chương trình con (chiết rót, dập nắp, cấp nắp).
  • Thiết lập giải thuật định lượng: Tính vận tốc dòng chảy lý thuyết $v = \sqrt{2gh}$ ($h = 0,15\text{ m}$, $g = 9,81\text{ m/s}^2$), đường kính ống $8\text{ mm}$; quy đổi thể tích thành số xung đếm từ cảm biến YF-S201 kết hợp bù thời gian trễ mở van cho phần xung lẻ.

CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG PHA SƠN

Mô tả chi tiết quá trình gia công cơ khí, lắp ráp 5 cụm chức năng và đấu nối tủ điện điều khiển 220VAC/24VDC. Thiết kế các giao diện vận hành trên HMI/Webserver bao gồm: màn hình đăng nhập, màn hình nhập tỷ lệ phối màu, màn hình giám sát trạng thái bơm và quá trình đóng nắp theo thời gian thực. Tiến hành thử nghiệm thực tế quá trình chiết rót, đánh giá độ đồng đều màu sắc giữa các mẻ pha và kiểm nghiệm sai số lưu lượng dòng chảy qua Bảng 4.1 và Bảng 4.2.

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Tổng kết các kết quả đạt được về độ ổn định cơ khí, độ chính xác điều khiển và tính thẩm mỹ của sản phẩm. Nêu rõ những hạn chế thực tế trong quá trình chế tạo mô hình (dung lượng máng cấp hạn chế, giám sát Webserver giới hạn trong mạng nội bộ, giới hạn về kinh phí gia công linh kiện) và đề xuất các giải pháp nâng cấp, mở rộng hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật thực tế

Đồ án đã chế tạo thành công mô hình phần cứng hoạt động hoàn chỉnh, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật đề ra:

  • Cơ khí: Chế tạo hoàn chỉnh 5 cụm cơ cấu (băng tải chính dài 0,8 m, cơ cấu cấp lon, khung chiết rót nhôm định hình tích hợp tấm định vị vòi xả mica, cụm cấp nắp chân không kết hợp trượt ngang V-slot và cụm dập nắp xilanh $\varnothing 25$, cụm buồng lắc đảo màu tích hợp nam châm điện rút lon).
  • Hệ thống điện và điều khiển: Tủ điện được bố trí khoa học với 2 cấp điện áp (220VAC và 24VDC); kết nối thành công PLC S7-1200 với 4 cảm biến lưu lượng YF-S201, 4 cảm biến quang hồng ngoại E3F-DS30C4, 1 cảm biến tiệm cận kim loại LJ12A3-4-Z/AX và 7 van khí nén SMC.
  • Phần mềm và giao diện: Xây dựng hoàn chỉnh chương trình điều khiển logic, giải thuật đếm xung ngắt và giao diện HMI/Webserver nội bộ phục vụ giám sát, cài đặt công thức cho 20 màu sơn.

Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật thực nghiệm

Thông số kỹ thuật Giá trị tính toán thiết kế Giá trị vận hành thực nghiệm Đánh giá
Năng suất hệ thống 90 lon/giờ 90 lon/giờ (chu kỳ 50s/lon) Đạt yêu cầu thiết kế
Số lượng màu phối trộn 20 màu 20 màu theo bảng công thức Màu sắc đồng đều
Sức chứa ống cấp lon/nắp 05 lon / 05 nắp 05 lon / 05 nắp Hoạt động ổn định
Áp suất khí nén làm việc $7 - 8\text{ bar}$ $7\text{ bar}$ Đủ lực dập và gắp nắp
Độ bền khung chiết rót $\text{FOS} \ge 3$ ($\sigma_{\max} = 1,137\text{ MPa}$) Vận hành không rung lắc Đảm bảo an toàn cơ kết cấu
Độ bền khung trượt ngang $\text{FOS} \ge 3$ ($\text{Min FOS} = 6,59$) Chuyển vị đỉnh $< 1,2\text{ mm}$ Trượt êm ái, chính xác
Lực nâng giác hút chân không $14\text{ N}$ (Yêu cầu $\ge 3\text{ N}$) $14\text{ N}$ Hút giữ nắp chắc chắn

Đóng góp của đề tài

  1. Giải pháp công nghệ: Đề xuất và hiện thực hóa thành công giải thuật chiết rót kết hợp giữa đếm xung nguyên từ cảm biến lưu lượng giá thành thấp (YF-S201) và điều khiển trễ thời gian đóng van ngắt (delay time) cho lượng sơn lẻ, giúp giảm thiểu đáng kể chi phí thiết bị so với các hệ thống cân định lượng phức tạp.
  2. Tích hợp cơ điện tử: Kết hợp hài hòa giữa cơ cấu cơ khí chính xác (nhôm định hình, thanh trượt con trượt V-slot), hệ thống khí nén (xilanh Airtac/PVN, van Ejector chân không), cơ cấu nam châm điện và bộ điều khiển công nghiệp PLC S7-1200.
  3. Ý nghĩa ứng dụng: Cung cấp mô hình tham khảo khả thi, giá thành thấp cho các xưởng sản xuất sơn nước vừa và nhỏ hoặc các đại lý phân phối sơn có nhu cầu pha màu tự động tại chỗ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế ghi nhận trong văn bản

  • Dung lượng cơ cấu cấp phôi: Máng cấp lon và máng cấp nắp tự động có dung lượng chứa giới hạn (chỉ nạp được tối đa 5 lon và 5 nắp cho mỗi lần tiếp liệu), đòi hỏi người vận hành phải bổ sung phôi thường xuyên.
  • Hệ thống giám sát: Tính năng điều khiển và giám sát thông qua Webserver mới chỉ triển khai được trong phạm vi mạng nội bộ (mạng LAN), chưa kết nối ra ngoài Internet hay các nền tảng điện toán đám mây.
  • Kinh phí chế tạo: Do điều kiện kinh phí thực hiện đề tài tốt nghiệp có hạn, nhóm phải lựa chọn các dòng cảm biến và linh kiện phổ thông, cấu trúc khung nhôm định hình chưa đa dạng mẫu mã công nghiệp chuyên dụng.

Hướng phát triển đề xuất

  1. Nâng cấp cơ cấu cấp phôi: Cải tiến máng cấp lon và nắp thành hệ thống phễu rung (vibratory bowl feeder) hoặc cơ cấu băng tải cấp phôi tự động liên tục để tăng sức chứa và giảm chu kỳ nạp phôi.
  2. Mở rộng dải màu phối: Tăng số lượng bồn chứa nguyên liệu và cụm van bơm từ 4 màu lên 6 hoặc 8 màu gốc nhằm mở rộng dải màu phối trộn phức tạp hơn.
  3. Phát triển giám sát từ xa (IoT): Nâng cấp Webserver lên nền tảng IoT công nghiệp hoặc SCADA đám mây, cho phép quản lý công thức, theo dõi sản lượng và cảnh báo sự cố qua thiết bị di động từ xa ngoài mạng LAN.
  4. Tối ưu hóa cơ cấu trộn: Cải tiến cơ cấu lắc đảo thành hệ thống lắc rung 3 chiều (gyroscopic mixer) để rút ngắn thời gian hòa tan và tăng độ mịn của màng sơn.

Giá trị tham khảo

Bản đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho:

  • Sinh viên ngành Cơ Điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa: Học hỏi quy trình hoàn chỉnh để phát triển một dự án máy tự động, từ khâu khảo sát lý thuyết, tính toán công suất động cơ, tính chọn khí nén, phân tích bền kết cấu bằng FEA (Inventor, SolidWorks) đến lập trình PLC S7-1200 và thiết kế giao diện HMI.
  • Kỹ sư và người nghiên cứu máy chiết rót đóng nắp: Tham khảo trực tiếp phương pháp định lượng sơn dạng lỏng dựa trên cảm biến lưu lượng xung giá rẻ kết hợp bù trễ van ngắt, thiết kế cơ cấu gắp nắp bằng khí nén chân không kết hợp trượt V-slot và cơ cấu chuyển lon vào buồng trộn bằng xilanh nam châm điện.
  • Các phần đáng tham khảo nhất trong văn bản:
    • Quy trình tính chọn và kiểm nghiệm bền ứng suất/chuyển vị cho khung chiết rót, giá gắn xilanh trượt ngang và cùm xilanh dập nắp tại Chương 3.
    • Giải thuật tính toán tỷ lệ sơn và quy đổi lưu lượng dòng chảy ($Q = A \cdot v$, $v = \sqrt{2gh}$) sang số xung cảm biến kết hợp ngắt van tại Mục 3.3.
    • Sơ đồ nguyên lý đấu nối phần cứng tủ điện điều khiển 220VAC/24VDC tích hợp đầy đủ cảm biến, van điện từ và PLC tại Chương 3 và Phụ lục.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng phương pháp nào để định lượng chính xác từng thành phần màu sơn vào lon?

Hệ thống sử dụng 4 cảm biến lưu lượng YF-S201 lắp trên 4 đường ống xả của 4 bồn sơn. Cảm biến chứa cánh quạt nước và cảm biến hiệu ứng Hall, khi sơn chảy qua sẽ phát tín hiệu xung tốc độ cao về PLC S7-1200. Dựa trên công thức dòng chảy $Q = A \cdot v$ (với $v = \sqrt{2gh}$, $h = 0,15\text{ m}$, đường kính ống $8\text{ mm}$), PLC tính ra tổng số xung cần cấp theo tỷ lệ màu đã chọn. Số xung nguyên được đếm trực tiếp, còn phần xung lẻ được quy đổi thành khoảng thời gian trễ mở van (delay time) trước khi đóng hoàn toàn van điện từ 220VAC.

2. Kết quả kiểm nghiệm bền (FEA) của các kết cấu chịu lực trên mô hình cho thấy điều gì?

Quá trình phân tích ứng suất và chuyển vị bằng Autodesk Inventor và SolidWorks cho thấy mọi kết cấu đều đảm bảo an toàn chịu lực vượt yêu cầu ($\text{FOS} \ge 3$):

  • Khung chiết rót: Chịu tải trọng $100\text{ N}$, ứng suất cực đại $1,137\text{ MPa} < [\sigma] = 240\text{ MPa}$, chuyển vị lớn nhất $0,046\text{ mm}$, hệ số an toàn $\text{FOS} = 15$.
  • Khung gắn xilanh ngang: Lực đẩy $150\text{ N}$, ứng suất lớn nhất $41,74\text{ MPa} < [\sigma] = 240\text{ MPa}$, chuyển vị cực đại $1,178\text{ mm}$, hệ số an toàn $\text{FOS} = 6,59$.
  • Giá gắn cùm xilanh dập nắp: Lực dập $200\text{ N}$, ứng suất lớn nhất $3,526\text{ MPa} < [\sigma] = 380\text{ MPa}$, chuyển vị $0\text{ mm}$, $\text{FOS} > 3$.

3. Nắp lon được cấp và đóng kín vào thân lon thông qua những cơ cấu nào?

Quy trình cấp và đóng nắp lon phối hợp nhiều chuyển động khí nén:

  • Nắp lon được xếp trên máng trượt mica.
  • Đầu giác hút chân không (tạo lực hút $14\text{ N} > 3\text{ N}$ lý thuyết) gắn trên xilanh nâng hạ phương đứng $\varnothing 16\text{ mm}$ sẽ hạ xuống hút lấy nắp lon.
  • Xilanh trượt ngang $\varnothing 16\text{ mm}$ kết hợp cụm bánh xe V-slot di chuyển cụm hút nắp sang vị trí lon đang chờ trên băng tải.
  • Xilanh dập nắp chuyên dụng đường kính lớn $\varnothing 25\text{ mm}$ tạo lực ép $200\text{ N}$ ở áp suất $7\text{ bar}$ tác động thẳng đứng để dập khít nắp vào miệng lon.

4. Cơ cấu trộn đảo màu sau khi đóng nắp lon hoạt động theo nguyên lý nào?

Sau khi dập nắp xong, một xilanh khí nén $\varnothing 12\text{ mm}$ (hành trình $100\text{ mm}$, lực đẩy $50\text{ N}$) sẽ đẩy lon sơn vào hộp lắc. Tại đây, động cơ giảm tốc DC sẽ quay lắc đều hộp để các thành phần màu hòa tan hoàn toàn vào nhau; số vòng quay được kiểm soát chính xác qua cảm biến tiệm cận kim loại LJ12A3-4-Z/AX. Khi hoàn tất chu trình lắc, nam châm điện tích hợp ở đầu xilanh sẽ được cấp điện để hút vỏ lon kim loại kéo ngược trở lại băng tải chính.

5. Năng suất và phạm vi phối màu của hệ thống đạt được là bao nhiêu?

Hệ thống được thiết kế và vận hành thực nghiệm đạt năng suất 90 lon/giờ (chu kỳ $50\text{ s}$ cho một lon sơn thành phẩm). Bảng điều khiển và thuật toán cho phép phối trộn chính xác 20 màu sơn nước khác nhau từ 4 bồn chứa màu gốc cơ bản.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo hệ thống pha màu sơn nước, đóng nắp lon tự động" đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và chế tạo một dây chuyền cơ điện tử tự động hóa quy mô thu nhỏ hoạt động ổn định và chính xác. Nghiên cứu đã giải quyết hiệu quả bài toán tự động hóa từ khâu cấp phôi, định lượng pha màu theo xung lưu lượng, đóng nắp chân không đến lắc trộn thành phẩm với năng suất 90 lon/giờ và khả năng phối 20 màu sơn. Hệ thống là minh chứng rõ nét cho việc làm chủ công nghệ điều khiển PLC S7-1200, phân tích cơ kết cấu FEA và thiết kế máy tự động, tạo tiền đề vững chắc cho việc phát triển các dây chuyền chiết rót công nghiệp giá thành thấp trong thực tế.