Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế công nghiệp hóa và hiện đại hóa, tự động hóa dây chuyền sản xuất đóng vai trò thiết yếu nhằm nâng cao năng suất, đảm bảo tính chính xác, giảm thiểu nhân công và hạ giá thành sản phẩm. Sự phát triển của các hệ thống sản xuất linh hoạt đòi hỏi mức độ tự động hóa ngày càng cao ở từng khâu vận hành. Trong đó, công đoạn phân loại và đóng gói sản phẩm ở cuối dây chuyền giữ vai trò trực tiếp quyết định chất lượng kiểm soát sản phẩm trước khi đưa ra thị trường.

Đề tài "Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao" do sinh viên Nguyễn Hồng Quang thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nhã Tường Linh (Trường Cơ khí – Đại học Bách khoa Hà Nội) tập trung giải quyết bài toán thiết kế cơ khí và điều khiển tự động cho một hệ thống phân loại sản phẩm hình trụ.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định theo 4 nội dung chính:

  1. Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật: Khảo sát tổng quan, phân tích tính chất của phôi/sản phẩm để chọn phương pháp cấp phôi, xác định cấu trúc và thông số kỹ thuật đầu vào.
  2. Tính toán và thiết kế các mô-đun chức năng: Thiết kế mô-đun cấp phôi tự động, mô-đun băng tải vận chuyển, mô-đun phân loại sử dụng pít-tông khí nén, van điện từ và cảm biến quang.
  3. Thiết kế chi tiết và xây dựng bản vẽ: Thiết kế kết cấu chi tiết máy, tính toán kiểm nghiệm độ bền trục, then, xích và xây dựng bản vẽ lắp ráp 2D/3D.
  4. Mô phỏng nguyên lý hoạt động: Đánh giá động học và kiểm tra sự phối hợp hoạt động của các cơ cấu trong hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống cơ điện tử phân loại sản phẩm hình trụ có kích thước chiều cao $h_1 = h_2 = h_3 = 19\text{ cm}$, đường kính đáy thay đổi $d_1 = 18\text{ cm}, d_2 = 20\text{ cm}, d_3 = 22\text{ cm}$, khối lượng phôi dao động từ $Q_{\min} = 0,2\text{ kg}$ đến $Q_{\max} = 5\text{ kg}$. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở quy mô tính toán thiết kế cơ khí chi tiết máy và giải pháp phân loại với năng suất thiết kế $N = 30\text{ sản phẩm/phút}$ trong môi trường sản xuất công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng hệ thống lý thuyết về nguyên lý máy, chi tiết máy và hệ thống điều khiển khí nén – điện tử. Cơ sở tính toán động học và động lực học cơ khí dựa trên tài liệu chuyên ngành chuẩn mực "Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí (Tập 1)" của PGS. Trịnh Chất và TS. Lê Văn Uyển, kết hợp các tiêu chuẩn kỹ thuật về truyền động xích, đai, trục, then và ổ lăn.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và tính toán thiết kế kỹ thuật:

  • Phương pháp phân tích – tổng hợp: Khảo sát, so sánh ưu nhược điểm của các nguyên lý phân loại sản phẩm hiện hành (theo kích thước, khối lượng, màu sắc, hình ảnh camera, mã vạch) và các loại băng chuyền công nghiệp để lựa chọn phương án tối ưu.
  • Phương pháp tính toán thiết kế cơ khí: Xác định công suất cản chuyển động, tính toán lực kéo băng tải, phân phối tỷ số truyền cho hệ thống dẫn động, tính chọn động cơ điện xoay chiều, thiết kế bộ truyền xích con lăn ngoài, tính toán độ bền mỏi và độ cứng của trục, kiểm nghiệm áp suất dập và độ bền cắt của mối ghép then.
  • Nguồn dữ liệu: Các bảng tra cứu tiêu chuẩn cơ khí chế tạo máy, biểu đồ nội lực, công thức tính toán sức bền vật liệu, cùng thông số catalog thiết bị công nghiệp (động cơ điện 3 pha, xi lanh khí nén, van đảo chiều điện từ, cảm biến quang thu phát OMRON).

Thiết kế và tính toán kỹ thuật hệ thống

Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được thiết kế tích hợp giữa hệ thống cơ khí vận chuyển, cơ cấu chấp hành khí nén và hệ thống cảm biến nhận diện điều khiển qua PLC.

1. Kiến trúc tổng thể và nguyên lý vận hành

  • Cơ cấu cấp phôi: Phôi hình trụ được bố trí ở đầu dây chuyền và được một xi lanh khí nén tác động tịnh tiến đẩy vào mặt băng tải với tần nhịp đồng bộ theo năng suất $30\text{ sản phẩm/phút}$.
  • Mô-đun băng tải: Băng tải dẹt vật liệu PVC với hệ khung inox, được dẫn động bằng động cơ điện thông qua hộp giảm tốc và bộ truyền xích ống con lăn.
  • Mô-đun nhận diện và phân loại: Hệ thống bố trí 3 cảm biến quang điện đặt ở 3 mức cao độ (cao, trung bình, thấp) dọc theo chiều dài băng tải, tương ứng với vị trí của 3 xi lanh khí nén đẩy phôi. Khi phôi di chuyển qua, cảm biến nhận diện mức chiều cao tương ứng và gửi tín hiệu về PLC; bộ điều khiển kích hoạt van điện từ để xi lanh tương ứng đẩy sản phẩm vào đúng thùng chứa quy định.
       [ Cụm cấp phôi: Xi lanh khí nén ]
              [ Cảm biến Cao ]                 [ Cảm biến Trung bình ]             [ Cảm biến Thấp ]
             [ Xi lanh đẩy 1 ]                 [ Xi lanh đẩy 2 ]                 [ Xi lanh đẩy 3 ]
              [ Thùng chứa 1 ]                  [ Thùng chứa 2 ]                  [ Thùng chứa 3 ]

2. Thông số kỹ thuật và động lực học đã tính toán

Đại lượng / Bộ phận Thông số tính toán / Tiêu chuẩn Giá trị thiết kế Đơn vị
Năng suất làm việc ($N$) Thông số đầu vào $30$ sp/phút
Kích thước băng tải Chiều dài ($L$) $\times$ Bề dày ($H$) $2773 \times 4$ $\text{mm}$
Vận tốc băng tải ($v$) Động học băng tải ($t = 8\text{ s}$) $346$ ($0,346$) $\text{mm/s}$ ($\text{m/s}$)
Trọng lượng 1m băng ($q_0$) Băng PVC khối lượng riêng tiêu chuẩn $11,76$ $\text{N/m}$
Lực kéo băng tải ($F$) Tổng hợp lực cản và lực căng ban đầu $1222,3$ $\text{N}$
Công suất trục công tác ($N_{yc}$) $N_{yc} = (F \cdot v) / 1000$ $0,42$ $\text{kW}$
Động cơ điện dẫn động Động cơ 3 pha rô-to lồng sóc 4A80B8Y3 $P_{\text{đc}} = 0,55$; $n_{\text{đc}} = 675$ $\text{kW}$; v/ph
Tỷ số truyền chung ($u_c$) $u_c = u_{hgt} \cdot u_x$ ($u_{hgt} = 5; u_x = 3$) $15$ -
Bộ truyền xích ngoài Xích ống con lăn 1 dãy, bước xích $t$ $19,05$ $\text{mm}$
Số răng đĩa xích Đĩa nhỏ $Z_1$ / Đĩa lớn $Z_2$ $19$ / $58$ răng
Khoảng cách trục xích ($a$) Số mắt xích chẵn $x = 80$ $381,55$ $\text{mm}$
Đường kính trục tang ($d$) Thép 45 tôi cải thiện ($\sigma_b = 600\text{ MPa}$) $d_A = d_C = 30; d_B = 37; d_D = 25$ $\text{mm}$
Kích thước then bằng Lắp tại vị trí đĩa xích ($d_D = 25\text{ mm}$) $b \times h = 8 \times 7$ $\text{mm}$

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan hệ thống phân loại sản phẩm

Chương 1 trình bày cơ sở lý luận về tự động hóa phân loại trong công nghiệp. Tác giả phân tích và so sánh 5 phương pháp phân loại chính:

  1. Phân loại theo kích thước (chiều cao, chiều dài): Sử dụng cảm biến quang/hồng ngoại kết nối PLC, chi phí thấp, kết cấu đơn giản, ứng dụng phổ biến trong dây chuyền đóng chai, lọ.
  2. Phân loại theo khối lượng: Sử dụng cảm biến lực/loadcell cho các sản phẩm đóng bao bì (xi măng, phân bón).
  3. Phân loại theo màu sắc: Ứng dụng cảm biến nhận diện dải màu trong công nghiệp dệt may, sơn màu.
  4. Phân loại theo hình ảnh: Ứng dụng camera xử lý ảnh và thuật toán nhận dạng, áp dụng trong phân loại vật liệu xây dựng (gạch granit).
  5. Phân loại theo mã vạch: Dùng đầu đọc barcode/QR code, áp dụng trong các trung tâm logistics, thương mại điện tử với công suất lên đến $10.000\text{ sản phẩm/giờ}$.

Từ việc phân tích yêu cầu kỹ thuật của phôi hình trụ, tác giả lựa chọn giải pháp phân loại theo chiều cao dùng cảm biến quang học, xây dựng sơ đồ nguyên lý 2 giai đoạn: Giai đoạn 1 nhận biết đặc tính sản phẩm trên băng chuyền; Giai đoạn 2 điều khiển tay đẩy khí nén đưa sản phẩm vào các thùng chứa tương ứng.

Chương 2. Các thành phần cơ bản của hệ thống

Chương 2 khảo sát chi tiết cấu tạo, nguyên lý làm việc và phạm vi ứng dụng của từng cụm chi tiết cơ khí – khí nén – điện:

  • Băng tải: Khảo sát 6 loại băng tải công nghiệp (băng dẹt PU/PVC/PE, băng nhựa Modular belt, băng tải xích, băng tải lưới inox, băng chịu nhiệt teflon, băng cao su). Đồ án lựa chọn băng dẹt PVC kết hợp khung inox nhờ khả năng chịu lực, chống mài mòn, độ bền cao và chi phí chế tạo hợp lý.
  • Bộ truyền xích: Phân tích đặc tính ăn khớp gián tiếp, khả năng truyền công suất lớn giữa các trục xa nhau với hiệu suất cao hơn bộ truyền đai, xác định dạng hỏng chủ yếu là mòn bản lề để làm chỉ tiêu tính toán.
  • Hệ thống khí nén: Trình bày cấu tạo pít-tông khí nén (tác động đơn, tác động kép) và các dòng van đảo chiều điện từ ($5/2, 5/3, 4/2, 3/2$) làm nhiệm vụ đóng mở cấp khí nén đẩy phôi.
  • Cảm biến quang: Phân tích 2 dạng cấu tạo thu – phát rời và thu – phát chung (sử dụng LED phát xạ và transistor quang ghép Darlington), tham chiếu các dòng cảm biến công nghiệp OMRON (series E3Z-LS phạm vi $20\text{ mm} - 160\text{ mm}$, E3Z-T62/T82 phạm vi tới $30\text{ m}$).
  • Động cơ điện: So sánh động cơ một chiều và xoay chiều; lựa chọn động cơ 3 pha không đồng bộ rô-to lồng sóc do ưu điểm kết cấu đơn giản, độ tin cậy cao, đấu nối trực tiếp vào lưới điện công nghiệp.
  • Con lăn và khung sườn: Khảo sát kết cấu con lăn chủ động, bị động và các loại khung thép, khung nhôm định hình, khung inox.

Chương 3. Tính toán, thiết kế hệ thống

Chương 3 là phần trọng tâm kỹ thuật của đồ án, thực hiện đầy đủ các bước tính toán thiết kế chi tiết máy:

  • Tính toán động học băng tải: Xác định chiều dài băng $L = 2773\text{ mm}$, khoảng cách giữa 2 tâm sản phẩm $x = 844,33\text{ mm}$, số sản phẩm tối đa trên băng cùng lúc $J = 4$. Với năng suất $N = 30\text{ sp/ph}$, thời gian phôi đi hết băng là $t = 8\text{ s}$, suy ra vận tốc băng tải $v = 346\text{ mm/s}$.
  • Tính lực kéo và kiểm nghiệm bền băng: Xác định các lực cản tĩnh và động trên các đoạn nằm ngang và đoạn uốn cong qua tang ($W_{0/1}, W_{1/2}, W_{2/3}$), xác định lực căng ban đầu $F_0 = 1920\text{ N}$, lực vòng $F_t = 1168\text{ N}$, lực kéo cần thiết $F = 1222,3\text{ N}$, công suất trên trục tang $N_{yc} = 0,42\text{ kW}$. Kiểm nghiệm ứng suất kéo của băng $\sigma_a < [\sigma_a] = 8\text{ MPa}$, thỏa mãn độ bền.
  • Chọn động cơ và phân phối tỷ số truyền: Hiệu suất toàn hệ thống dẫn động đạt $\eta \approx 0,89$, công suất cần thiết trên trục động cơ $P_{ct} = 0,47\text{ kW}$. Tác giả chọn động cơ $4\text{A}80\text{B}8\text{Y}3$ công suất định mức $0,55\text{ kW}$, số vòng quay đồng bộ $n_{\text{đc}} = 675\text{ v/ph}$. Tỷ số truyền chung $u_c = 15$ được phân phối cho hộp giảm tốc ($u_{hgt} = 5$) và bộ truyền xích ngoài ($u_x = 3$).
  • Thiết kế bộ truyền xích: Tính toán chọn xích con lăn tiêu chuẩn bước xích $t = 19,05\text{ mm}$, đĩa nhỏ $Z_1 = 19$ răng, đĩa lớn $Z_2 = 58$ răng, số mắt xích $x = 80$, khoảng cách trục $a = 381,55\text{ mm}$. Kiểm nghiệm độ bền va đập và mòn bản lề cho hệ số an toàn $s = 19,75 > [s] = 8,2$; kiểm nghiệm ứng suất tiếp xúc răng đĩa xích $\sigma_H = 528,56\text{ MPa} \le [\sigma_H] = 800\text{ MPa}$ (đĩa thép 45 tôi cải thiện đạt 45 HRC).
  • Tính toán trục và then: Chọn vật liệu trục là thép 45 tôi cải thiện ($\sigma_b = 600\text{ MPa}, [\tau] = 15 \div 30\text{ MPa}$). Lập sơ đồ phân bố lực không gian, tính phản lực liên kết tại các gối đỡ $A$ và $C$ ($F_{Ax} = F_{Cx} = 1500\text{ N}; F_{Ay} = -258,03\text{ N}; F_{Cy} = 2144,09\text{ N}$), dựng biểu đồ mô-men uốn và xoắn. Xác định đường kính các đoạn trục theo mô-men tương đương: gối đỡ $d_A = d_C = 30\text{ mm}$, vị trí lắp tang $d_B = 37\text{ mm}$, đầu trục lắp đĩa xích $d_D = 25\text{ mm}$. Kiểm nghiệm then bằng kích thước $b \times h = 8 \times 7\text{ mm}$ thỏa mãn điều kiện bền dập $[\sigma_d] = 80\text{ MPa}$ và bền cắt $[\tau_c] = 80\text{ MPa}$.

Chương 4. Đánh giá ưu nhược điểm và hướng cải tiến hệ thống

Chương 4 tổng kết các ưu điểm và hạn chế trong kết cấu hệ thống băng tải phân loại, đồng thời định hình các nội dung kỹ thuật cần tiếp tục hoàn thiện khi triển khai chế tạo mô hình thực nghiệm.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật định lượng

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn chu trình tính toán thiết kế cơ điện tử cho hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao với các chỉ số kỹ thuật cụ thể:

  • Xác lập đồng bộ chuỗi thông số hình học và động lực học của băng tải PVC ($L = 2773\text{ mm}$, $v = 0,346\text{ m/s}$, $N = 30\text{ sp/phút}$).
  • Tính chọn thành công cụm dẫn động gồm động cơ xoay chiều 3 pha $4\text{A}80\text{B}8\text{Y}3$ ($0,55\text{ kW}$, $675\text{ v/ph}$), hộp giảm tốc ($u = 5$) và bộ truyền xích con lăn ($t = 19,05\text{ mm}, u = 3$).
  • Kiểm nghiệm độ bền an toàn chi tiết máy: Bộ truyền xích đạt hệ số an toàn tiếp xúc và va đập ($s = 19,75 > 8,2$); trục dẫn động và mối ghép then bằng thép 45 thỏa mãn điều kiện bền uốn, bền xoắn và mỏi chu kỳ ($[\sigma_d] \le 80\text{ MPa}, [\tau_c] \le 80\text{ MPa}$).

2. Giải pháp kỹ thuật đề xuất

  • Đề xuất phương án bố trí 3 cảm biến quang học so le theo cao độ kết hợp 3 xi lanh khí nén tác động nhanh, giúp phân loại chính xác 3 cấp kích thước sản phẩm mà không cần hệ thống camera xử lý ảnh phức tạp.
  • Sử dụng kết cấu khung inox kết hợp băng tải PVC giúp dây chuyền vận hành ổn định, chống mài mòn, đáp ứng yêu cầu vệ sinh công nghiệp trong sản xuất thực phẩm, đóng chai.

3. Đóng góp về mặt học thuật

Đồ án xây dựng quy trình tính toán hệ thống dẫn động băng tải cơ khí một cách bài bản, chuẩn hóa từ khâu phân tích lực cản, tính chọn công suất động cơ đến kiểm nghiệm chi tiết máy theo giáo trình cơ học máy hiện hành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Phạm vi đề tài dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết, thiết kế chi tiết máy và bản vẽ cơ khí; chưa tiến hành chế tạo mô hình thực tế để đo kiểm sai số phân loại động học.
    • Hệ thống nhận diện quang học đơn giản chỉ phát hiện được phôi có chiều cao xác định, chưa tích hợp nhận diện biến dạng phôi hoặc khuyết tật bề mặt.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Chế tạo mô hình thực nghiệm để kiểm chứng độ ổn định của hệ thống cấp phôi khí nén ở tốc độ cao.
    • Lập trình thuật toán điều khiển tối ưu trên PLC và thiết kế giao diện giám sát HMI/SCADA.
    • Mở rộng tích hợp công nghệ xử lý ảnh (camera AI) để nhận diện đa tiêu chí (vừa phân loại chiều cao, vừa kiểm tra mã vạch và lỗi ngoại quan sản phẩm).

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Tự động hóa: Sử dụng làm tài liệu mẫu cho đồ án môn học Chi tiết máy, Đồ án Thiết kế hệ dẫn động cơ khí, Đồ án Tự động hóa sản xuất hoặc Khóa luận tốt nghiệp kỹ thuật.
  • Kỹ sư thiết kế cơ điện: Tham khảo các bước lập bảng tính toán lực cản băng tải, công thức kiểm nghiệm bền bộ truyền xích, tính toán kết cấu trục và phương pháp lựa chọn cảm biến – xi lanh khí nén trong dây chuyền phân loại công nghiệp vừa và nhỏ.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn băng tải vật liệu PVC và bộ truyền xích ngoài?

Băng tải PVC được lựa chọn nhờ khả năng chịu lực kéo tốt, bề mặt nhẵn mịn chống mài mòn, giá thành hợp lý và độ bền uốn cao (tỷ số chiều dày trên đường kính tang $H/D = 1/40$). Bộ truyền xích ngoài được sử dụng để truyền động từ hộp giảm tốc đến trục tang băng tải vì khoảng cách trục tương đối xa ($a = 381,55\text{ mm}$), khả năng chịu tải tốt và không xảy ra hiện tượng trượt như bộ truyền đai.

2. Hệ thống phân loại nhận diện 3 mức chiều cao của sản phẩm theo nguyên lý nào?

Hệ thống sử dụng 3 cảm biến quang điện đặt ở 3 cao độ (cao, trung bình, thấp) dọc theo chiều di chuyển của phôi. Khi sản phẩm đi qua, cảm biến đặt ở vị trí cao nhất sẽ nhận biết phôi cao đầu tiên và kích hoạt xi lanh 1; tiếp theo là phôi trung bình qua cảm biến thứ hai kích hoạt xi lanh 2; phôi thấp nhất đi qua cảm biến cuối cùng để xi lanh 3 đẩy vào thùng.

3. Động cơ dẫn động được tính chọn có thông số kỹ thuật ra sao?

Căn cứ công suất làm việc trên trục tang $N_{yc} = 0,42\text{ kW}$ và hiệu suất hệ dẫn động $\eta = 0,89$, công suất yêu cầu trên trục động cơ là $P_{ct} = 0,47\text{ kW}$. Tác giả tính chọn động cơ điện 3 pha không đồng bộ rô-to lồng sóc ký hiệu 4A80B8Y3 có công suất định mức $P_{\text{đc}} = 0,55\text{ kW}$ và số vòng quay định mức $n_{\text{đc}} = 675\text{ v/ph}$.

4. Kết quả kiểm nghiệm bền của bộ truyền xích con lăn có đạt yêu cầu kỹ thuật không?

Có. Bộ truyền xích ống con lăn 1 dãy có bước xích $t = 19,05\text{ mm}$, số răng đĩa nhỏ $Z_1 = 19$, đĩa lớn $Z_2 = 58$. Hệ số an toàn va đập tính toán đạt $s = 19,75$, lớn hơn nhiều so với hệ số an toàn cho phép $[s] = 8,2$. Ứng suất tiếp xúc trên răng đĩa xích $\sigma_H = 528,56\text{ MPa}$ nhỏ hơn giới hạn cho phép $[\sigma_H] = 800\text{ MPa}$ đối với thép 45 tôi cải thiện.

Kết luận

Đồ án môn học của sinh viên Nguyễn Hồng Quang đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán tính toán và thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao với năng suất $30\text{ sản phẩm/phút}$. Công trình cung cấp các kết quả tính toán động lực học chi tiết, chuẩn xác cho hệ dẫn động cơ khí băng tải PVC, bộ truyền xích và hệ thống phân loại bằng pít-tông khí nén điều khiển cảm biến quang. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên và kỹ sư ngành Cơ khí – Cơ điện tử trong việc thiết kế các hệ thống tự động hóa phân loại sản phẩm công nghiệp.