Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quy trình sản xuất công nghiệp hiện đại, phân loại sản phẩm là một công đoạn thiết yếu nhằm bảo đảm chất lượng đồng đều và tối ưu hóa quy trình đóng gói. Việc thực hiện phân loại thủ công bằng sức người bộc lộ nhiều hạn chế do tính chất công việc lặp đi lặp lại, đòi hỏi sự tập trung cao độ trong thời gian dài, dễ dẫn đến sai sót đối với các chi tiết kỹ thuật nhỏ mà mắt thường khó nhận biết, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và độ chính xác của dây chuyền. Trước nhu cầu tự động hóa sản xuất, đề tài Thiết kế và thi công hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được thực hiện nhằm xây dựng một mô hình tự động ứng dụng bộ điều khiển logic khả trình (PLC) kết hợp hệ thống truyền động servo và cánh tay robot gắp đặt.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm ba nội dung chính:

  1. Nghiên cứu ứng dụng thực tế của bộ điều khiển PLC trong tự động hóa công nghiệp.
  2. Nghiên cứu phương thức giao tiếp, phát xung điều khiển giữa PLC và bộ điều khiển truyền động AC Servo MR-J2S.
  3. Thiết kế và thi công mô hình phần cứng phân loại sản phẩm theo chiều cao hoàn chỉnh.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng xử lý: Các khối sản phẩm mô hình có kích thước chiều cao trong phạm vi từ 3 cm đến 7 cm.
  • Phạm vi kỹ thuật: Hệ thống sử dụng cảm biến quang điện để phân biệt mức chiều cao (cao/thấp), kết hợp cánh tay máy dẫn động bằng động cơ servo và đầu hút chân không để gắp chuyển sản phẩm từ băng tải 1 sang băng tải 2.
  • Yêu cầu kỹ thuật cần giải quyết: Tính toán cơ khí (kích thước nhỏ gọn, độ bền cơ học, thẩm mỹ, thuận tiện lắp đặt/sửa chữa), điều khiển tự động hoàn toàn và bảo đảm an toàn vận hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ sử dụng

Nghiên cứu ứng dụng hệ thống lý thuyết về điều khiển tự động hóa công nghiệp và truyền động điện chính xác, bao gồm:

  • Nguyên lý điều khiển vòng kín và giải thuật PID: Phân tích các mô hình điều khiển vòng hở (Open-loop), nửa kín (Semi-closed loop) và vòng kín (Full-closed loop). Sử dụng thuật toán tỷ lệ - tích phân (PI/PID) với độ lợi tỉ lệ ($K_p$) nhằm tăng tốc độ đáp ứng và độ lợi tích phân ($K_i$) để triệt tiêu sai số xác lập, hạn chế độ vọt lố và giảm rung lắc khi hệ thống khởi động hoặc định vị.
  • Bộ điều khiển lập trình PLC: Cấu trúc họ vi điều khiển công nghiệp Mitsubishi FX, bao gồm CPU, khối nhớ EEPROM, hệ thống bus truyền dữ liệu, các cổng xuất/nhập logic và chức năng phát xung tốc độ cao điều khiển vị trí.
  • Hệ truyền động AC Servo: Cấu hình hệ thống servo gồm bộ khuếch đại (Driver MR-J2S-A) và động cơ servo AC dòng HC-KFS. Cơ chế phản hồi vị trí và vận tốc thông qua bộ mã hóa xung vòng quay quang học (Optical Encoder) độ phân giải 17-bit (131.072 xung/vòng). Động cơ vận hành trên nguyên lý điều khiển vector dòng qua các transistor lưỡng cực cổng cách ly (IGBT) ở chế độ điều khiển vị trí (Position Control).
  • Hệ thống chấp hành khí nén: Nguyên lý tạo áp suất âm bằng valve hút chân không dựa trên cơ cấu bơm chân không vòng dầu kiểu rotor cánh gạt composite để sinh lực giữ vật thể.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích tài liệu kỹ thuật về tập lệnh PLC Mitsubishi họ FX, thông số kỹ thuật bộ điều khiển Servo MR-J2S, cấu trúc encoder tuyệt đối và gia số.
  • Phương pháp tính toán và thiết kế cơ khí: Thiết kế bộ truyền đai răng puly nhằm giảm tốc và tăng mô-men xoắn cho trục khớp quay cánh tay máy.
  • Phương pháp mô phỏng và lập trình: Soạn thảo chương trình điều khiển và cấu hình phát xung bằng phần mềm chuyên dụng GX Developer / GX Works2.
  • Phương pháp thực nghiệm - thử sai: Thi công phần cứng, đo kiểm thực tế các cổng vào/ra (I/O), hiệu chỉnh tham số phát xung nhiều lần ở các trạng thái có tải và không tải của cánh tay đòn để tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động.

Nguồn dữ liệu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu từ các tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chính hãng của Mitsubishi Electric (Manual PLC họ FX, Driver MR-J2S Series), các tiêu chuẩn kỹ thuật về cảm biến công nghiệp, cùng các thông số hình học và cơ lý thu thập trực tiếp trong quá trình gia công, lắp ráp mô hình tại xưởng.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc cơ khí và cơ cấu truyền động

Hệ thống phần cứng bao gồm khung bệ cơ khí tích hợp 2 tuyến băng tải vận chuyển, cụm giá đỡ cảm biến nhận dạng và cánh tay máy dạng quay 1 bậc tự do kết hợp xylanh/valve hút chân không. Do cánh tay máy có quán tính chuyển động lớn gây hiện tượng rung giật khi dừng đột ngột, hệ thống bổ sung cụm giảm tốc bằng puly đai răng đặt giữa trục động cơ servo và trục cánh tay máy.

Thông số kỹ thuật Puly dẫn (XL 20) Puly bị dẫn (XL 50)
Số răng 20 răng 50 răng
Bề rộng rãnh 10 mm 11 mm
Loại dây belt Đai răng chuẩn XL Đai răng chuẩn XL
Bước răng (Pitch) 5,08 mm 5,08 mm
Đường kính trục ($d$) 5 mm 8 mm
Đường kính ngoài ($D$) 35 mm 85 mm
Đường kính gờ ($D_1$) 23 mm 50 mm
Quy cách ốc cố định Ốc M4 Ốc M4

Thiết kế hệ thống điện và khối điều khiển trung tâm

Khối xử lý trung tâm sử dụng bộ điều khiển lập trình compact PLC Mitsubishi FX0S-14MT (ngõ ra transistor phát xung tốc độ cao):

Thông số / Thành phần Quy cách kỹ thuật trên PLC FX0S-14MT
Cấu hình ngõ vào (Input) 8 ngõ vào số ($X_0 - X_7$)
Cấu hình ngõ ra (Output) 6 ngõ ra transistor ($Y_0 - Y_5$), hỗ trợ phát xung điều khiển
Thời gian thực thi lệnh Lệnh cơ bản: tối đa 3,6 $\mu s$/lệnh
Bộ nhớ chương trình Dung lượng 8.000 bước (bộ nhớ EEPROM tích hợp)
Rơ-le phụ trợ (M) 512 điểm thông thường ($M_0 - M_{511}$), 11 điểm chốt
Bộ định thời (Timer) 56 bộ 100ms ($T_0 - T_{55}$), 24 bộ 10ms ($T_{32} - T_{55}$)
Bộ đếm tốc độ cao (HSC) Hỗ trợ đếm 1 pha (tần số $\le 14\text{ kHz}$) và 2 pha $A/B$
Nguồn cấp hoạt động $100 - 240\text{ VAC}$; nguồn cấp ngõ ra $24\text{ VDC}, 200\text{ mA}$

Cấu hình truyền động Servo và khối cảm biến

  • Hệ Servo: Driver MR-J2S-A kết hợp động cơ servo AC HC-KFS, tốc độ định mức 3.000 vòng/phút. Tín hiệu phản hồi vị trí lấy từ encoder quang học 17-bit gắn đồng trục. Chế độ điều khiển chính là điều khiển vị trí (Position Control), nhận chuỗi xung phát từ ngõ ra $Y_0/Y_1$ của PLC tương ứng với khoảng cách và góc quay cần dịch chuyển.
  • Cảm biến và cơ cấu chấp hành phụ trợ: Cảm biến quang điện E3F-DS30B04 dùng để phát hiện sự hiện diện và chiều cao phôi; công tắc hành trình giới hạn góc quay cánh tay; hệ thống nút nhấn điều khiển IDEC; đèn báo trạng thái LED-LD11; rơ-le trung gian điều khiển động cơ băng tải và van khí nén hút phôi.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Trình bày tính cấp thiết của việc áp dụng tự động hóa trong khâu phân loại sản phẩm công nghiệp nhằm giảm chi phí nhân công và tăng độ ổn định của dây chuyền. Chương này xác định mục tiêu tổng quát, nhiệm vụ cụ thể, đối tượng nghiên cứu (sản phẩm cao từ 3 cm đến 7 cm), phạm vi thực hiện đề tài và các phương pháp nghiên cứu áp dụng từ phân tích lý thuyết đến chế tạo thực nghiệm.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Cung cấp bức tranh toàn diện về các giải pháp kỹ thuật liên quan:

  • Khảo sát các hệ thống phân loại hiện nay: Phân loại theo màu sắc (hệ thống tự động của Úc, Mỹ, Pháp với các cơ cấu đẩy khí nén, phân loại kiểu rơi/cổng rải), phân loại bằng xử lý ảnh camera và phân loại bằng cảm biến quang.
  • Đánh giá ưu điểm của PLC so với các giải pháp điều khiển truyền thống thông qua bảng so sánh kỹ thuật:
Chỉ tiêu so sánh Rơ-le Mạch số Máy tính PLC
Giá thành Thấp Thấp Cao Khá thấp
Kích thước Lớn Rất gọn Khá gọn Gọn
Tốc độ điều khiển Chậm Rất nhanh Khá nhanh Nhanh
Lắp đặt Mất thời gian Mất thời gian thiết kế Lập trình phức tạp Lập trình và lắp đặt nhanh
Khả năng điều khiển tác vụ Không có Có Có Có
Thay đổi, nâng cấp Khó Khó Khá đơn giản Đơn giản
Công tác bảo trì Kém Kém Kém Kém
  • Khảo sát cấu trúc phần cứng và chức năng các dòng PLC Mitsubishi họ FX ($FX_{0S}, FX_{0N}, FX_{1S}, FX_{1N}, FX_{2N}, FX_{2NC}$).
  • Lý thuyết điều khiển hệ servo: Nguyên tắc hoạt động của biến tần/driver sử dụng van công suất IGBT, cấu tạo encoder gia số (pha A, pha B lệch pha $90^\circ$, pha Z định vị gốc) và encoder tuyệt đối (đĩa mã nhị phân).
  • Nguyên lý tạo chân không bằng bơm hút chân không vòng dầu rotor cánh gạt composite và valve điện từ khí nén.

Chương 3: Thiết kế và thi công mô hình

Nội dung chương tập trung vào quá trình hiện thực hóa mô hình phần cứng và phần mềm:

  • Thiết kế cơ khí: Lập bản vẽ hình chiếu cánh tay máy, tính toán chế tạo cụm truyền động puly đai răng giảm tốc ($XL50/XL20$) nhằm gia tăng mô-men xoắn và triệt tiêu quán tính.
  • Thiết kế mạch điện: Thiết lập sơ đồ khối nguồn, sơ đồ đấu nối chân ngõ vào/ngõ ra của PLC FX0S-14MT, sơ đồ giao tiếp giữa PLC và Driver MR-J2S-A qua giắc cắm $CN1A/CN1B$, sơ đồ cấp nguồn động lực 1 pha/3 pha $220\text{ VAC}$ và mạch điều khiển rơ-le cho van khí nén.
  • Lập trình và thi công: Soạn thảo thuật toán phát xung điều khiển vị trí theo tín hiệu nhận diện từ cảm biến quang E3F-DS30B04, thực hiện đấu nối dây dẫn trong tủ điện, gia công lắp ráp hoàn thiện băng tải và cánh tay robot.

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá tổng kết các mục tiêu đã hoàn thành của đề tài; nhận định các ưu điểm, nhược điểm trong vận hành thực tế và đề xuất phương hướng phát triển, cải tiến công nghệ cho hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng thu nhỏ gồm 2 băng tải dẫn động độc lập, 1 cánh tay máy xoay dẫn động bởi hệ thống AC Servo Mitsubishi MR-J2S và đầu gắp hút chân không dùng khí nén.
  • Hệ thống thực hiện chính xác quy trình nhận diện sản phẩm trong dải chiều cao từ 3 cm đến 7 cm thông qua cảm biến quang điện E3F-DS30B04.
  • Ứng dụng thành công chức năng phát xung tần số cao từ PLC Mitsubishi FX0S-14MT điều khiển Driver AC Servo hoạt động ở chế độ Position Control, đảm bảo cánh tay gắp đúng phôi mẫu và đặt sang vị trí băng chuyền thứ hai.
  • Cải thiện độ ổn định cơ học của cánh tay máy nhờ việc tính toán, bổ sung bộ truyền puly giảm tốc XL20:XL50, giúp giảm rung giật và hiện tượng trượt bước khi dừng.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Cần tối ưu hóa thuật toán khởi động/dừng mềm trong chương trình PLC để giảm áp lực quán tính tác động lên các khớp nối cơ khí.
  • Bố trí nguồn cấp DC $24\text{ V}$ ngoài ổn định để chống nhiễu cho tín hiệu logic ngõ vào/ngõ ra khi giao tiếp giữa PLC và mạch động lực của Driver Servo.

Đóng góp kỹ thuật

Đề tài cung cấp giải pháp tích hợp thực tế giữa dòng PLC compact thế hệ FX0S với hệ truyền động servo công nghiệp thế hệ MR-J2S trong bài toán điều khiển vị trí chính xác; đồng thời làm rõ quy trình chế tạo cơ - điện kết hợp giữa cơ cấu chấp hành khí nén chân không và động cơ servo AC.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của hệ thống

  • Do giới hạn về kinh phí chế tạo và thời gian nghiên cứu, mô hình dừng lại ở quy mô thí nghiệm thu nhỏ; độ cứng vững cơ khí và tính ổn định vận hành liên tục trong thời gian dài chưa đạt chuẩn công nghiệp.
  • Cấu hình phần cứng PLC FX0S-14MT không hỗ trợ mở rộng số lượng I/O và hạn chế về khả năng kết nối mạng truyền thông công nghiệp.
  • Chưa trang bị giao diện giám sát người - máy chuyên dụng (màn hình HMI).

Hướng nghiên cứu phát triển

  • Tích hợp màn hình HMI (Human-Machine Interface) để cài đặt tham số vận hành, hiển thị số lượng sản phẩm phân loại và cảnh báo lỗi trực quan.
  • Mở rộng giao thức truyền thông mạng công nghiệp của PLC (RS-485, CC-Link, Ethernet) để kết nối đồng bộ vào hệ thống quản lý sản xuất lớn hơn.
  • Phát triển thêm các module phân loại đa tiêu chí, kết hợp cảm biến màu sắc, cảm biến trọng lượng hoặc camera xử lý ảnh công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành:

  • Ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Tham khảo cấu hình phát xung điều khiển vị trí của PLC Mitsubishi dòng FX, kỹ thuật đấu nối mạch điều khiển Driver AC Servo MR-J2S-A và sơ đồ chân I/O.
  • Ngành Kỹ thuật Cơ điện tử và Kỹ thuật Robot: Tham khảo quy trình thiết kế cơ cấu cánh tay gắp phôi kết hợp valve hút chân không khí nén và giải pháp tính toán bộ truyền puly đai răng giảm chấn.
  • Nội dung đáng giá nhất: Sơ đồ chi tiết đấu nối các giắc tín hiệu $CN1A/CN1B$ giữa PLC và Driver Servo, bảng thông số kỹ thuật bộ nhớ/thanh ghi PLC FX0S, và bảng thông số hình học bộ truyền puly đai răng chuẩn XL.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng model PLC nào và cấu hình ngõ vào/ra ra sao? Hệ thống sử dụng PLC Mitsubishi FX0S-14MT thuộc dòng compact, gồm 8 ngõ vào số ($X_0 - X_7$) và 6 ngõ ra dạng transistor ($Y_0 - Y_5$) cấp điện áp $24\text{ VDC}, 200\text{ mA}$, bộ nhớ chương trình EEPROM 8.000 bước, thời gian thực thi lệnh tối đa 3,6 $\mu s$.

2. Động cơ Servo và Driver sử dụng trong đồ án có thông số kỹ thuật gì? Hệ thống sử dụng bộ điều khiển Driver Mitsubishi MR-J2S-A kết hợp động cơ servo AC dòng HC-KFS có tốc độ định mức 3.000 vòng/phút, tích hợp bộ mã hóa xung (encoder) độ phân giải 17-bit tương ứng 131.072 xung/vòng.

3. Tại sao hệ thống phải lắp đặt thêm bộ truyền puly đai răng cho cánh tay máy? Cánh tay máy ban đầu có khối lượng và quán tính chuyển động lớn gây rung lắc mạnh khi dừng. Việc lắp thêm bộ puly đai răng giảm tốc (Puly chủ động XL 20 răng, Puly bị động XL 50 răng, bước răng 5,08 mm) giúp giảm tốc độ góc, gia tăng mô-men xoắn và triệt tiêu quán tính rung lắc.

4. Cơ cấu gắp giữ sản phẩm của cánh tay robot hoạt động theo nguyên lý nào? Cơ cấu gắp sử dụng valve hút chân không dùng khí nén, hoạt động dựa trên nguyên lý tạo áp suất âm của bơm hút chân không kiểu rotor cánh gạt composite, giúp giữ chặt bề mặt phôi khi di chuyển giữa hai băng chuyền.

5. Phạm vi phân loại kích thước của hệ thống được thiết lập trong khoảng bao nhiêu? Mô hình thực nghiệm được thiết kế và căn chỉnh để nhận diện, phân loại các sản phẩm có kích thước chiều cao trong phạm vi từ 3 cm đến 7 cm bằng cảm biến quang điện E3F-DS30B04.

Kết luận

Đồ án Thiết kế và thi công hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao đã hoàn thành toàn bộ các mục tiêu đặt ra thông qua việc xây dựng thành công mô hình cơ - điện tử tự động hóa hoàn chỉnh. Đề tài làm chủ phương pháp điều khiển vị trí chính xác bằng phát xung từ PLC Mitsubishi FX0S sang hệ AC Servo MR-J2S kết hợp cơ cấu gắp chân không khí nén. Mô hình cung cấp giải pháp tham khảo rõ ràng về mặt phần cứng và thuật toán điều khiển cho các bài toán phân loại sản phẩm kích thước nhỏ trong giảng dạy và nghiên cứu ứng dụng.