Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế công nghiệp hóa và hiện đại hóa, tự động hóa các dây chuyền sản xuất là giải pháp nhằm đáp ứng bài toán cung – cầu, nâng cao năng suất, cắt giảm chi phí nhân công và gia tăng năng lực cạnh tranh cho doanh nghiệp. Tại Việt Nam, các thiết bị hiện đại như máy CNC và robot công nghiệp đã được ứng dụng trong các hệ thống sản xuất linh hoạt ở quy mô vừa và lớn. Tuy nhiên, tại nhiều doanh nghiệp vừa và nhỏ, các công đoạn như cân định lượng, phân loại và đóng gói bao bì vẫn phụ thuộc chủ yếu vào lao động thủ công, dẫn đến năng suất và độ chính xác chưa cao.

Khâu phân loại sản phẩm đóng vai trò then chốt trong việc kiểm soát chất lượng đầu ra của hàng hóa trước khi xuất xưởng. Đồ án "Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao" của tác giả Nguyễn Chí Hướng (Khoa Cơ điện tử, Trường Cơ khí – Đại học Bách khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của TS. Nhã Tường Linh, hoàn thành tháng 1/2024) được thực hiện nhằm giải quyết bài toán cơ điện tử cụ thể này, đồng thời củng cố năng lực tính toán thiết kế máy móc tự động hóa.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp và nguyên lý phân loại sản phẩm tự động trong công nghiệp.
  2. Lựa chọn các thành phần cơ điện tử cấu thành hệ thống: kết cấu băng tải, bộ truyền động, cảm biến nhận biết, cơ cấu chấp hành khí nén và động cơ dẫn động.
  3. Tính toán thiết kế cơ khí chi tiết cho hệ thống băng tải, bao gồm: tính toán động học, động lực học kéo băng, kiểm nghiệm độ bền dây băng, tính chọn động cơ – hộp giảm tốc, tính toán bộ truyền xích ngoài, thiết kế trục tang dẫn, kiểm nghiệm độ bền mỏi của trục, chọn ổ lăn và then.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cơ điện tử phân loại phôi trụ gang xám theo 3 cấp chiều cao xác định.
  • Phạm vi thông số đầu vào: Sản phẩm hình trụ rỗng làm bằng gang xám ($\rho = 7,15\text{ g/cm}^3$) có 3 kích thước chiều cao lần lượt là $h_1 = 13\text{ cm}$, $h_2 = 15\text{ cm}$, $h_3 = 18\text{ cm}$ (đường kính ngoài $d = 25\text{ cm}$, đường kính trong $d' = 23\text{ cm}$); dải khối lượng phôi từ $Q_{\min} = 7\text{ kg}$ đến $Q_{\max} = 9,7\text{ kg}$; năng suất vận chuyển đạt $N = 25\text{ sản phẩm/phút}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Đồ án ứng dụng các lý thuyết nền tảng và phương pháp tính toán tiêu chuẩn trong ngành kỹ thuật cơ khí và cơ điện tử:

  • Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng:

    • Lý thuyết Chi tiết máy và Nguyên lý máy: Ứng dụng các công thức tính toán lực kéo băng chuyền, phân bố lực căng Euler ($S_3 \le S_0 \cdot e^{f\alpha}$), tính toán bộ truyền xích con lăn theo công suất cho phép, kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc răng đĩa xích, tính toán trục theo mô men uốn – xoắn tương đương và kiểm nghiệm hệ số an toàn mỏi ($s \ge [s]$).
    • Tiêu chuẩn ổ lăn: Tra cứu và tính toán kiểm nghiệm khả năng tải động ($C_d$) và tải tĩnh ($Q_t$) của ổ bi đỡ một dãy theo tiêu chuẩn GOST 8338-75.
    • Lý thuyết truyền động điện và khí nén: Phương trình đặc tính cơ, quan hệ giữa sức phản điện động (CEMF), điện áp phản ứng và mô men quay của động cơ điện một chiều (DC); nguyên lý biến đổi thế năng áp suất khí nén thành động năng tịnh tiến của cơ cấu chấp hành xylanh.
    • Lý thuyết cảm biến quang điện: Nguyên lý thu - phát chùm tia LASER hồng ngoại kết hợp transistor quang ở điện áp công nghiệp 24 VDC.

  • Phương pháp nghiên cứu:

    • Phương pháp phân tích giải tích: Xây dựng sơ đồ lực, thiết lập hệ phương trình cân bằng tĩnh học để xác định phản lực tại các gối đỡ trục tang, vẽ biểu đồ mô men uốn và xoắn.
    • Phương pháp kiểm nghiệm bền kỹ thuật: Đối chuẩn các ứng suất tính toán ($\sigma_{bt}, \sigma_H, \tau, \sigma$) với các giá trị ứng suất cho phép của vật liệu thép C45, cao su/PVC.
    • Phương pháp tra cứu và chuẩn hóa thông số: Khảo sát và lựa chọn thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn từ catalog sản phẩm thực tế (SPG Motor, Hợp Long Tech, CNC24h).

  • Nguồn dữ liệu:

    • Bảng thông số cơ tính vật liệu cơ khí (thép C45, gang xám, đai PVC).
    • Catalog kỹ thuật động cơ SPG và đầu giảm tốc công nghiệp.
    • Các hệ số ma sát, hệ số tải trọng động, hệ số tập trung ứng suất và tuổi thọ khuyến nghị của chi tiết máy.

Thiết kế và tính toán hệ thống kỹ thuật

Hệ thống phân loại sản phẩm được thiết kế hoàn chỉnh qua các bước tính toán động học, động lực học và độ bền kết cấu cơ khí.

Thông số thiết kế Ký hiệu / Mã hiệu Giá trị tính toán / Lựa chọn Đơn vị / Tiêu chuẩn
Chiều dài băng tải $L$ $2000$ $\text{mm}$
Chiều rộng băng tải $W$ $350$ $\text{mm}$
Chiều cao băng tải $H$ $60$ $\text{mm}$
Vận tốc chuyển động băng $v$ $253,34$ $\text{mm/s}$
Số sản phẩm trên băng $n$ $4$ sản phẩm
Lực kéo băng tải $F$ $136,1$ $\text{N}$
Lực căng nhánh nhả $S_0$ $100$ $\text{N}$
Lực căng nhánh căng $S_3$ $236,1$ $\text{N}$
Ứng suất kéo dây băng $\sigma_{bt}$ $25,92$ (cho phép: $\le 800$) $\text{N/cm}^2$
Động cơ dẫn động SPG S9I40GXH-12CE $40\text{ W}, 220\text{ V}, 1\text{ pha}, 0,36\text{ A}$ $90 - 1400\text{ rpm}$
Hộp giảm tốc tích hợp SPG S9KB7.5BH Tỉ số truyền $i = 7,5$ Đầu giảm tốc bích vuông
Tỉ số truyền bộ truyền xích $u_x$ $1,99 \approx 2$ $z_1 = 27, z_2 = 54$
Loại xích & Bước xích Xích con lăn $t = 12,7$ $\text{mm}$ ($x = 102$ mắt)
Khoảng cách trục xích $a$ $385,51$ $\text{mm}$
Hệ số an toàn bền xích $s$ $295,12$ (cho phép: $\ge 7,8$) Thỏa mãn điều kiện bền
Ứng suất tiếp xúc răng đĩa $\sigma_H$ $150,53$ (cho phép: $\le 500$) $\text{MPa}$ (Thép C45)
Đường kính ngõng trục tang $d_1, d_3$ $20$ $\text{mm}$ (Thép C45)
Hệ số an toàn mỏi của trục $s$ $32,06$ (cho phép: $1,5 - 2,5$) Thỏa mãn điều kiện bền
Ổ lăn đỡ trục tang Ký hiệu 1000904 $d = 20, D = 37, B = 9$ $\text{mm}$ (GOST 8338-75)
Then bằng lắp đĩa xích Then bằng $b = 5, h = 5, l = 20$ $\text{mm}$

Cơ chế phân loại được thực hiện theo nguyên lý quang điện: Hai cảm biến quang LASER (24 VDC) đặt ở hai cao độ khác nhau dọc theo hành trình băng chuyền. Phôi kích hoạt cảm biến ở vị trí cao nhất được xác định là vật cao; phôi chỉ kích hoạt cảm biến ở vị trí thấp hơn được xếp loại vật trung bình; phôi không kích hoạt cảm biến nào được phân loại là vật thấp. Tại vị trí phân loại, hệ thống xylanh khí nén tác động lực đẩy phôi vào các máng/thùng chứa tương ứng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm

Chương 1 trình bày bối cảnh thực tiễn của tự động hóa sản xuất, sự cần thiết của việc thay thế thao tác thủ công nhằm giảm thiểu rủi ro và tăng năng suất. Tác giả đưa ra định nghĩa: Hệ thống phân loại sản phẩm là hệ thống điều khiển tự động hoặc bán tự động nhằm chia sản phẩm thành các nhóm có cùng thuộc tính để phục vụ đóng gói hoặc loại bỏ phế phẩm.

Chương này phân tích các phương pháp phân loại phổ biến:

  • Phân loại theo màu sắc: Cảm biến màu nhận diện, chuyển đổi tín hiệu qua bộ ADC đưa về bộ xử lý.
  • Phân loại theo trọng lượng, hình dáng và kích thước: Sử dụng cảm biến hành trình, cảm biến quang hoặc cân định lượng.
  • Phân loại theo mã vạch: Đầu đọc mã vạch quét thông tin lưu trữ trên nhãn sản phẩm.

Nguyên lý hoạt động tổng quát: Băng chuyền tiếp nhận và vận chuyển phôi qua vùng quét của cảm biến; bộ điều khiển xử lý tín hiệu nhận diện để kích hoạt cơ cấu phân loại; phôi sau khi phân loại rơi vào thùng hàng tương ứng; chu trình lặp lại liên tục cho đến khi hết phôi.

Chương 2: Các thành phần của hệ thống

Chương 2 mô tả chi tiết đặc tính kỹ thuật và lý do lựa chọn từng cụm kết cấu trong hệ thống:

  • Băng tải: Phân tích cấu tạo gồm bộ phận kéo, trạm dẫn động, bộ phận căng và hệ thống con lăn đỡ. So sánh tải trọng và phạm vi ứng dụng của 6 loại băng chuyền:
Loại băng tải Tải trọng vận chuyển Phạm vi ứng dụng tiêu biểu
Băng tải dây đai $< 50\text{ kg}$ Vận chuyển từng chi tiết giữa các nguyên công, vận chuyển thùng chứa
Băng tải lá $25 - 125\text{ kg}$ Vận chuyển chi tiết trên vệ tinh trong gia công chuẩn bị phôi và lắp ráp
Băng tải thanh đẩy $50 - 250\text{ kg}$ Vận chuyển chi tiết lớn giữa các bộ phận với khoảng cách $> 50\text{ m}$
Băng tải con lăn $30 - 500\text{ kg}$ Vận chuyển chi tiết trên vệ tinh giữa các nguyên công với khoảng cách $< 50\text{ m}$
Băng tải dạng cào Năng suất $1,5\text{ tấn/h}$ Thu dọn phoi vụn, tốc độ $0,2\text{ m/s}$, lực kéo đến $10\text{ kN}$
Băng tải xoắn vít Năng suất đến $4\text{ tấn/h}$ Thu dọn phoi vụn (gồm loại 1 buồng xoắn dài $80\text{ cm}$ và 2 buồng xoắn)

Tác giả chọn băng tải dây đai PVC đen kết hợp khung sườn nhôm định hình do kết cấu nhẹ, dễ gia công, chịu hóa chất, chống mài mòn và chi phí thấp.

  • Bộ truyền động: So sánh giữa truyền động đai và truyền động xích. Bộ truyền xích được lựa chọn làm bộ truyền ngoài nhờ ưu điểm không có hiện tượng trượt, tỷ số truyền tức thời đảm bảo, lực tác dụng lên trục nhỏ hơn do không cần tạo lực căng ban đầu lớn.
  • Xylanh khí nén: Sử dụng khí nén để sinh lực đẩy phôi với ưu điểm giá thành thấp, lực kẹp/đẩy đủ lớn, dễ bảo dưỡng và điều chỉnh.
  • Cảm biến: Sử dụng cảm biến quang LASER hồng ngoại (nguồn cấp 24 VDC) có bộ thu phát độc lập, chống nhiễu ánh sáng phòng.
  • Động cơ: Lựa chọn động cơ điện một chiều (DC) nhờ kết cấu đơn giản, giá thành thấp, dải điều chỉnh vận tốc linh hoạt. Văn bản thiết lập phương trình cân bằng điện áp và quan hệ mô men – từ thông:

$$V = E + I_u R_u$$

$$M = K \cdot \Phi \cdot I_u$$

Chương 3: Tính toán, thiết kế hệ thống

Chương 3 tập trung toàn bộ khối lượng tính toán kỹ thuật của đồ án, tuần tự qua các hạng mục:

  • Tính toán kích thước và động học băng tải: Với 4 sản phẩm cùng có mặt trên băng ($n=4$), đường kính phôi $d=250\text{ mm}$, khoảng cách hai mép phôi $x=300\text{ mm}$, chiều dài yêu cầu $L \ge 1900\text{ mm}$ (chọn $L=2000\text{ mm}$); chiều rộng $W \ge 300\text{ mm}$ (chọn $W=350\text{ mm}$); vận tốc băng tải xác định $v=253,34\text{ mm/s}$ để đạt năng suất $N=25\text{ sp/ph}$.
  • Động lực học và lực kéo: Xác định lực cản trên các đoạn nằm ngang và đoạn uốn cong qua tang ($W_{0/1} = 7,72\text{ N}$, $W_{1/2} = 0,06 S_1$, $W_{2/3} = 121,91\text{ N}$). Tính toán lực căng $S_0 = 100\text{ N}$, $S_1 = 107,72\text{ N}$, $S_3 = 236,1\text{ N}$ và lực kéo tổng $F = 136,1\text{ N}$. Kiểm nghiệm ứng suất đai PVC đạt $\sigma_{bt} = 25,92\text{ N/cm}^2 < [\sigma_a] = 800\text{ N/cm}^2$.
  • Tính chọn động cơ: Công suất trên trục công tác $P_{lv} = 34,47\text{ W}$; với hiệu suất hệ thống $\eta = 0,87$, công suất cần thiết trên trục động cơ là $P_{ct} = 39,62\text{ W}$, số vòng quay trục công tác $n_{lv} = 80,53\text{ v/ph}$. Đồ án chọn động cơ SPG công suất 40 W (mã S9I40GXH-12CE) kết hợp hộp giảm tốc S9KB7.5BH (tỉ số truyền $1/7,5$), cho tốc độ đầu ra hộp giảm tốc $n_{dc} = 160\text{ v/ph}$.
  • Thiết kế bộ truyền xích: Tỉ số truyền $u_x = 1,99$. Chọn đĩa xích nhỏ $z_1 = 27$ răng, đĩa xích lớn $z_2 = 54$ răng ($u_t = 2$, sai lệch $0,5% < 4%$). Bước xích $t = 12,7\text{ mm}$, số mắt xích $x = 102$, khoảng cách trục $a = 385,51\text{ mm}$. Kiểm nghiệm độ bền xích cho hệ số an toàn $s = 295,12 > [s] = 7,8$; ứng suất tiếp xúc mặt răng $\sigma_H = 150,53\text{ MPa} < [\sigma_H] = 500\text{ MPa}$ với vật liệu đĩa xích bằng thép C45. Lực tác dụng lên trục $F_r = 49,83\text{ N}$.
  • Thiết kế trục tang dẫn: Đường kính tang dẫn $D = 60\text{ mm}$. Xác định phản lực gối đỡ ($F_{Ax}=74,13\text{ N}$, $F_{Ay}=34,33\text{ N}$, $F_{Dx}=18,82\text{ N}$, $F_{Dy}=66,27\text{ N}$). Đường kính đoạn ngõng trục lắp ổ chọn $d = 20\text{ mm}$ (vật liệu thép C45). Kiểm nghiệm độ bền mỏi uốn và xoắn đạt hệ số an toàn tổng hợp $s = 32,06 > [s] = 1,5 - 2,5$.
  • Chọn ổ lăn và mối ghép then: Chọn ổ bi đỡ một dãy mã hiệu 1000904 ($d=20\text{ mm}, D=37\text{ mm}, B=9\text{ mm}$) có khả năng tải động $C=5,14\text{ kN}$ và tải tĩnh $C_0=3,12\text{ kN}$, tuổi thọ $L=28,8\text{ triệu vòng}$. Mối ghép đĩa xích sử dụng then bằng kích thước $b \times h \times l = 5 \times 5 \times 20\text{ mm}$.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành trọn vẹn các nội dung tính toán kỹ thuật cho hệ thống phân loại phôi trụ tự động:

  • Đưa ra bộ thông số hình học và động học chính xác của băng tải dây đai PVC ($2000 \times 350 \times 60\text{ mm}$, vận tốc $253,34\text{ mm/s}$) đáp ứng đúng yêu cầu năng suất $25\text{ sản phẩm/phút}$ cho tải trọng tối đa $38,8\text{ kg}$ trên băng.
  • Lựa chọn cấu hình động học dẫn động đồng bộ gồm động cơ SPG 40 W, hộp giảm tốc tỉ số truyền $1/7,5$ và bộ truyền xích con lăn $t=12,7\text{ mm}$ với tỉ số truyền $u=2$.
  • Kiểm nghiệm toàn diện các điều kiện bền cơ học: độ bền kéo dây băng, độ bền mỏi của xích, độ bền tiếp xúc răng đĩa xích, độ bền mỏi trục tang dẫn và khả năng tải của ổ bi đỡ một dãy, tất cả đều thỏa mãn giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.
  • Đóng góp của tác giả: Xây dựng tài liệu tính toán cơ khí chi tiết, rõ ràng từng bước theo phương pháp giải tích chi tiết máy cho một kết cấu phân loại nhỏ gọn, sử dụng linh kiện thương mại sẵn có trên thị trường, tối ưu hóa chi phí chế tạo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Văn bản đồ án tập trung chủ yếu vào phần tính toán thiết kế cơ khí và lựa chọn linh kiện dẫn động; chưa trình bày chi tiết phần thiết kế sơ đồ mạch điện điều khiển logic (PLC hoặc vi điều khiển) và thuật toán điều khiển chi tiết cho hệ thống xylanh.
    • Băng tải sử dụng dây đai PVC có độ chính xác vị trí không tuyệt đối cao; sự thay đổi nhiệt độ môi trường và hiện tượng mài mòn theo thời gian có thể ảnh hưởng đến hệ số ma sát giữa đai và con lăn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Thiết kế và lập trình hoàn chỉnh mạch điều khiển tự động tích hợp cảm biến quang và van điện từ điều khiển xylanh khí nén.
    • Xây dựng mô hình thực nghiệm thực tế để kiểm chứng sai số động học và độ ổn định khi phân loại ở tần số làm việc cao.

Giá trị tham khảo

Bản thuyết minh đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Tự động hóa và Chế tạo máy khi thực hiện:

  • Đồ án môn học Chi tiết máy, Đồ án Thiết kế hệ thống Cơ điện tử, hoặc Đồ án tốt nghiệp liên quan đến hệ thống vận chuyển và phân loại sản phẩm.
  • Tham khảo quy trình tính toán lực kéo băng tải theo phương pháp phân đoạn lực căng Euler.
  • Tham khảo phương pháp tính toán kiểm nghiệm trục chịu ứng suất uốn - xoắn kết hợp theo độ bền mỏi và quy trình tra cứu ổ lăn tiêu chuẩn GOST.

Câu hỏi thường gặp

1. Đối tượng sản phẩm và tiêu chí phân loại trong đồ án là gì? Hệ thống xử lý phôi hình trụ rỗng bằng gang xám ($\rho = 7,15\text{ g/cm}^3$, đường kính ngoài $25\text{ cm}$, đường kính trong $23\text{ cm}$), phân thành 3 nhóm dựa trên chiều cao: nhóm $h_1 = 13\text{ cm}$ (vật thấp), nhóm $h_2 = 15\text{ cm}$ (vật trung bình) và nhóm $h_3 = 18\text{ cm}$ (vật cao). Khối lượng mỗi phôi từ $7\text{ kg}$ đến $9,7\text{ kg}$.

2. Động cơ và hộp giảm tốc được tính chọn có thông số kỹ thuật ra sao? Sau khi tính toán công suất cần thiết trên trục động cơ là $39,62\text{ W}$, đồ án chọn động cơ SPG mã S9I40GXH-12CE (công suất $40\text{ W}$, nguồn $220\text{ V}/50\text{ Hz}$ 1 pha, dòng $0,36\text{ A}$, dải tốc độ $90 - 1400\text{ rpm}$) kết hợp cùng đầu giảm tốc bích vuông SPG mã S9KB7.5BH (tỉ số truyền $1/7,5$).

3. Nguyên lý nhận diện 3 mức chiều cao của sản phẩm được bố trí như thế nào? Hệ thống sử dụng hai cảm biến quang LASER nguồn cấp 24 VDC đặt ở hai mức cao độ tương ứng trên băng tải. Sản phẩm kích hoạt cảm biến thứ nhất (ở vị trí cao) được xác định là vật cao; sản phẩm kích hoạt cảm biến thứ hai được xác định là vật trung bình; sản phẩm đi qua không kích hoạt cảm biến nào được phân loại là vật thấp.

4. Bộ truyền xích ngoài có các thông số cơ bản nào? Bộ truyền xích ống con lăn sử dụng bước xích $t = 12,7\text{ mm}$, số răng đĩa chủ động $z_1 = 27$, số răng đĩa bị động $z_2 = 54$ (tỉ số truyền $u_t = 2$), số mắt xích $x = 102$, khoảng cách trục $a = 385,51\text{ mm}$. Đĩa xích chế tạo từ thép C45, lực tác dụng lên trục $F_r = 49,83\text{ N}$.

5. Kết quả kiểm nghiệm độ bền mỏi trục tang dẫn đạt giá trị bao nhiêu? Trục tang dẫn làm bằng thép C45, tại tiết diện nguy hiểm ngõng trục lắp ổ lăn ($d = 20\text{ mm}$), hệ số an toàn mỏi tính toán đạt $s = 32,06$, lớn hơn nhiều so với hệ số an toàn mỏi cho phép $[s] = 1,5 - 2,5$, đảm bảo an toàn tuyệt đối về độ bền mỏi trong điều kiện làm việc 2 ca/ngày.

Kết luận

Đồ án môn học "Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao" của sinh viên Nguyễn Chí Hướng trình bày một giải pháp thiết kế cơ điện tử hoàn chỉnh cho công đoạn phân loại phôi trụ tự động với năng suất 25 sản phẩm/phút. Nghiên cứu đã thực hiện đầy đủ các bước tính toán động lực học băng tải dây đai PVC, lựa chọn tổ hợp động cơ - hộp giảm tốc SPG 40 W, thiết kế bộ truyền xích con lăn và kiểm nghiệm bền cho cụm trục - ổ lăn theo tiêu chuẩn cơ khí. Kết quả nghiên cứu cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho các bài toán thiết kế hệ thống sản xuất tự động quy mô vừa và nhỏ.