Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất và gia công kính xây dựng tại Việt Nam ghi nhận tốc độ tăng trưởng trung bình từ 10% đến 15%/năm kể từ đầu những năm 1990, đáp ứng nhu cầu vật liệu cho các công trình cao tầng, trung tâm thương mại và bệnh viện. Cùng với sự mở rộng về quy mô sản xuất, các doanh nghiệp gia công kính phẳng, kính cường lực phải đối mặt với áp lực lớn trong công tác quản lý kho thành phẩm và bán thành phẩm. Thực trạng tại các nhà máy kính hiện nay bộc lộ nhiều điểm nghẽn kỹ thuật và vận hành:

  • Khối lượng đơn hàng hằng ngày rất lớn với các yêu cầu kỹ thuật đa dạng về quy cách kích thước (dài, rộng, dày), vị trí khoan khoét và phương pháp mài cạnh.
  • Phương pháp quản lý thủ công bằng sổ sách hoặc giấy tờ truyền thống dễ gây thất lạc thông tin, bỏ sót đơn hàng, chậm tiến độ giao hàng và thiếu sự đồng bộ thông tin giữa các bộ phận sản xuất với cấp quản lý.
  • Sản phẩm kính tấm có đặc thù kích thước lớn, cồng kềnh, tải trọng nặng, bề mặt trong suốt khó phân biệt bằng mắt thường, đồng thời rất dễ nứt vỡ hoặc trầy xước khi di chuyển nhiều lần trong không gian kho rộng lớn.
  • Quá trình gia công thường tạo ra lượng phôi kính thừa có kích thước nhỏ hơn tấm phôi ban đầu. Việc thiếu công cụ theo dõi, phân loại và tái sử dụng các phôi kính thừa này dẫn đến tình trạng lãng phí vật tư hoặc buộc phải hủy bỏ, làm tăng chi phí sản xuất.

Nhằm giải quyết bài toán trên, đồ án tập trung thực hiện các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu các phương pháp quản lý, mã hóa, lưu trữ và truy xuất dữ liệu sản phẩm sau sản xuất trong môi trường công nghiệp bằng công nghệ mã vạch (Barcode).
  2. Nghiên cứu, tính toán và thiết kế hệ thống bao gồm cơ cấu cơ khí quét mã vạch tự động gắn trên giá kính và phần mềm quản lý kho kính trực quan.
  3. Chế tạo mô hình phần cứng, lắp ráp hệ thống truyền động, tích hợp tủ điện điều khiển và các thiết bị ngoại vi.
  4. Kiểm tra, đo đạc các thông số vận hành thực tế của hệ thống cơ điện và đánh giá độ chính xác của quá trình quét đọc dữ liệu.
  5. Lập báo cáo tổng kết, đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống và đề xuất các giải pháp hoàn thiện.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn rõ ràng:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống quản lý kho kính tấm kết hợp giữa cơ cấu chấp hành quét mã vạch tự động và phần mềm quản trị cơ sở dữ liệu.
  • Phạm vi không gian và kết cấu: Cơ cấu quét mã vạch hoạt động với hành trình tịnh tiến tối đa $600\text{ mm}$, có khả năng quét và nhận diện tối đa 40 tấm kính có chiều dày từ $12\text{ mm}$ đến $15\text{ mm}$ xếp trên một giá đỡ; khung giá kính chế tạo thử nghiệm theo chuẩn công nghiệp có kích thước $2,5\text{ m} \times 1,5\text{ m} \times 1\text{ m}$ (khung đỡ phôi kính tính toán chịu lực có kích thước $2500\text{ mm} \times 550\text{ mm} \times 1400\text{ mm}$).
  • Thời gian thực hiện: Đồ án được hoàn thành và bảo vệ vào tháng 01 năm 2021 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài ứng dụng các nền tảng lý thuyết và công nghệ kỹ thuật sau:

  • Lý thuyết cơ sở dữ liệu và hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS): Vận dụng mô hình quản lý dữ liệu quan hệ nhằm thiết lập cấu trúc lưu trữ thông tin sản phẩm kính (kích thước, vị trí trên giá, mã đơn hàng, ngày sản xuất, tình trạng xuất/nhập kho). Đồ án tổng hợp các hệ quản trị phổ biến như MySQL, MS SQL Server, SQLite, MongoDB.
  • Bộ giao thức truyền thông TCP/IP: Ứng dụng mô hình giao tiếp 4 tầng (Tầng ứng dụng, Tầng giao vận, Tầng mạng, Tầng vật lý) theo kiến trúc máy khách/máy chủ (Client/Server) để trao đổi gói tin điều khiển và dữ liệu quét giữa máy tính quản lý (Client) và bộ điều khiển nhúng tại giá kính (Server).
  • Công nghệ nhận dạng tự động bằng mã vạch (Barcode): Sử dụng tem mã vạch 1D/2D dán tại cạnh bên của từng tấm kính nhằm mã hóa chuỗi ký tự nhận diện, cho phép đầu đọc quang học thu thập tín hiệu nhanh chóng mà không gây tổn hại bề mặt kính.
  • Lý thuyết sức bền vật liệu và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Ứng dụng để tính toán ứng suất, biến dạng và chuyển vị của khung đỡ chịu tải trọng tĩnh lớn.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai đồng bộ:

  • Phương pháp tính toán và mô phỏng số: Tính toán công suất động cơ, bộ truyền động đai răng; mô hình hóa 3D và chia lưới phần tử hữu hạn (Standard Mesh) trên phần mềm SolidWorks Simulation để kiểm tra độ bền uốn, ứng suất và chuyển vị của khung thép chịu tải trọng $50.000\text{ N}$ ($5\text{ tấn}$).
  • Phương pháp chế tạo và tích hợp thực nghiệm: Gia công cơ khí, lắp ráp hệ thống dẫn động tuyến tính đai răng, đấu nối mạch điều khiển sử dụng máy tính nhúng và vi bước động cơ; tiến hành chạy thử nghiệm quét thực tế trên giá kính với các trường hợp không có kính, có 5 tấm kính và có 10 tấm kính.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thông số kỹ thuật linh kiện tiêu chuẩn (Module GM65, Driver TB6600, Raspberry Pi 3 Model B, Động cơ bước 57BYG250B), số liệu đo đạc thực nghiệm qua các lần quét, các tiêu chuẩn cơ khí và tài liệu nghiên cứu chuyên ngành Cơ điện tử.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống quản lý kho kính được thiết kế đồng bộ gồm 3 phân hệ chính: Cơ khí, Điện - Điều khiển và Phần mềm.

       [ CSDL Trung tâm ]
      (TCP/IP qua Mạng LAN)
        [ Máy tính PC ] (Client - Giao diện quản lý C#/.NET)
      (TCP/IP qua Socket)
    [ Raspberry Pi 3 Model B ] (Server điều khiển tại trạm)
  (Tín hiệu Xung/Chiều)  (USB HID)
  [ Driver TB6600 ]      [ Đầu đọc GM65 ]
                                                        [ Công tắc hành trình ]

Phân hệ Cơ khí

  • Khung giá đỡ kính: Kết cấu từ thép hộp vuông $50 \times 50 \times 3\text{ mm}$ (khối lượng riêng $7700\text{ kg/m}^3$, giới hạn chảy/độ bền uốn $6,204 \times 10^8\text{ N/m}^2$, mô đun đàn hồi $2,1 \times 10^{11}\text{ N/m}^2$, hệ số Poisson $0,28$). Kích thước bao $2500 \times 550 \times 1400\text{ mm}$, thể tích chứa phôi kính ước tính $1,925\text{ m}^3$, tương đương tải trọng kính $4812,5\text{ kg}$ (khối lượng riêng kính $d = 2500\text{ kg/m}^3$). Khung được kiểm tra chịu tải tĩnh an toàn dưới lực tác dụng $50.000\text{ N}$.
  • Cơ cấu dẫn động đầu đọc mã vạch: Sử dụng bộ truyền động đai răng GT2 bằng cao su (bước răng $2\text{ mm}$, bản rộng đai $6\text{ mm}$, độ dày $2\text{ mm}$) kết hợp bánh đai (pully) nhôm 32 răng (đường kính trục $8\text{ mm}$ và $12\text{ mm}$). Khối lượng cụm đầu đọc di động $m = 0,5\text{ kg}$, vận tốc quét lớn nhất $V_{\max} = 0,05\text{ m/s}$, thời gian tăng tốc đạt vận tốc cực đại $t = 0,5\text{ s}$, tỉ số truyền $i = 1$, hiệu suất truyền động $\eta_1 = 0,92$. Cơ cấu gắn trực tiếp bên hông giá kính bằng bu lông $12\text{ mm}$, dẫn hướng bằng con trượt và ốc lục giác.

Phân hệ Điện và Điều khiển

  • Bộ điều khiển trung tâm tại giá kính: Sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi 3 Model B (SoC Broadcom BCM2837B0, Quad-core Cortex-A53 64-bit @ $1,4\text{ GHz}$, RAM $1\text{ GB}$ LPDDR2, giao tiếp Wi-Fi, Ethernet, 4 cổng USB 2.0, 40 chân GPIO, nguồn cấp $5\text{V}/2,5\text{A}\text{ DC}$).
  • Động cơ chấp hành: Động cơ bước 2 pha Model 57BYG250B (điện áp định mức $24\text{VDC}$, dòng điện $3\text{A}$, mô-men xoắn giữ $1,8\text{ Nm}$, góc bước $\alpha = 1,8^\circ$, kích thước thân $57 \times 57 \times 76\text{ mm}$, trục $D = 8\text{ mm}$).
  • Mạch công suất (Driver): Bộ điều khiển động cơ bước TB6600 (điện áp hoạt động $9 - 40\text{VDC}$, dòng ra tối đa $4\text{A}$), được thiết lập chế độ dòng điện $1,5\text{A}$ và chế độ vi bước $1/4$ bước ($800\text{ xung/vòng}$, cấu hình chân gạt SW1=1, SW2=0, SW3=1).
  • Cảm biến và thiết bị phản hồi: Sử dụng 2 công tắc hành trình kiểu nút nhấn tiếp điểm thường hở (NO), đấu nối kiểu PNP cấp nguồn $3,3\text{VDC}$ nối về chân GPIO của Raspberry Pi để định vị vị trí gốc (Home) và giới hạn hành trình chuyển động $600\text{ mm}$.
  • Cảm biến đọc mã vạch: Module GM65 kết nối qua cổng USB (cảm biến hình ảnh CMOS, bước sóng ánh sáng phát $617\text{ nm}$, đèn LED trợ sáng $6500\text{K}$, góc quét $34^\circ$ ngang và $26^\circ$ dọc, khoảng cách đọc từ $25\text{ mm}$ đến $250\text{ mm}$, độ phân giải $\ge 0,1\text{ mm}$, điện áp $4,2 - 6\text{VDC}$, dòng quét $120\text{ mA}$, dòng chờ $30\text{ mA}$, trọng lượng $40\text{ g}$). Hỗ trợ các chuẩn mã vạch 1D (Code 128, Code 39, EAN/UPC...) và mã 2D (QR Code, Data Matrix, PDF417).

Phân hệ Phần mềm và Giải thuật

  • Kiến trúc phần mềm: Mô hình Client/Server. Máy tính PC đóng vai trò Client hiển thị giao diện người dùng và quản lý cơ sở dữ liệu; Raspberry Pi đóng vai trò Server điều khiển phần cứng.
  • Giải thuật quét và cập nhật cơ sở dữ liệu:
    1. Client gửi lệnh kích hoạt quét qua giao thức TCP/IP tới Server.
    2. Server điều khiển động cơ bước dịch chuyển đầu đọc GM65 dọc thanh trượt $600\text{ mm}$, liên tục thu thập dữ liệu chuỗi ký tự từ tem mã vạch dán trên mép kính, sau đó đưa cơ cấu về vị trí Home và gửi gói dữ liệu về Client.
    3. Client tiến hành giải thuật phân tích:
      • Nếu số lượng mã vạch nhận được $< 1$: Chuyển toàn bộ dữ liệu các tấm kính đã lưu trước đó trên giá hiện tại về trạng thái "Chưa nhập kho", xóa liên kết vị trí trên giá kính trong CSDL, thông báo trạng thái "Kho hàng trống".
      • Nếu số lượng mã vạch $\ge 1$: Đặt dữ liệu cũ về trạng thái "Chưa nhập kho", xóa dữ liệu cũ của giá kính; lần lượt ánh xạ chuỗi mã vạch mới quét được vào các vị trí thực tế trên giá; kiểm tra nếu mã vạch vừa quét đang tồn tại ở giá kính khác trong CSDL thì tự động xóa liên kết ở giá cũ và cập nhật vào giá kính hiện tại.
  • Các phân hệ chức năng trên giao diện quản trị:
    • Giao diện Đăng nhập: Phân quyền truy cập, xác thực tài khoản người dùng nhằm bảo mật hệ thống.
    • Giao diện Sản phẩm: Quản lý thông tin chi tiết từng tấm kính (mã sản phẩm, mã đơn hàng, kích thước dài - rộng - dày, ngày sản xuất, vị trí lưu kho). Hỗ trợ nhập/xuất dữ liệu bằng file Excel, nhập kho thủ công bằng súng quét cầm tay và in phiếu thông tin sản phẩm.
    • Giao diện Kho hàng: Hiển thị trực quan sơ đồ các xe/giá để kính với quy ước mã màu riêng biệt, thanh tiến độ (Progress Bar) biểu thị tỷ lệ lấp đầy, cho phép tra cứu nhanh vị trí trống và thông tin tấm kính khi click vào từng ô vị trí.
    • Giao diện Đơn hàng: Quản lý tiến độ hoàn thành các đơn hàng, liên kết danh sách các tấm kính thuộc từng đơn hàng, hỗ trợ tách/nhập đơn hàng và in phiếu kiểm tra đơn hàng.
    • Giao diện Biểu đồ: Trực quan hóa số liệu sản xuất và tồn kho dưới dạng biểu đồ tròn và phần trăm hoàn thành, cập nhật tự động hoặc thủ công theo từng xe kính.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về ngành sản xuất kính xây dựng tại Việt Nam, phân tích chi tiết thực trạng quản lý kho kính tấm tại các doanh nghiệp. Tác giả chỉ ra các điểm yếu của phương pháp quản lý thủ công khi xử lý các tấm kính có kích thước lớn, dễ vỡ, trong suốt và sự lãng phí các mảnh phôi kính thừa. Chương này xác định rõ mục tiêu nghiên cứu, sản phẩm dự kiến (hệ thống phần cứng quét tự động và phần mềm quản lý kho), phương pháp nghiên cứu và các giới hạn kỹ thuật của đề tài (hành trình $600\text{ mm}$, tối đa 40 tấm kính dày $12 - 15\text{ mm}$, khung chuẩn $2,5 \times 1,5 \times 1\text{ m}$).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tổng hợp các nền tảng lý thuyết phục vụ việc thiết kế hệ thống. Nội dung bao gồm khái niệm và tính chất của cơ sở dữ liệu; 4 nhóm chức năng chính của hệ quản trị cơ sở dữ liệu DBMS (định nghĩa, cập nhật, truy xuất, quản trị) cùng các hệ DBMS tiêu biểu (MySQL, MS SQL Server); cấu trúc 4 tầng của bộ giao thức truyền thông TCP/IP và nguyên lý truyền thông Client/Server; nguyên lý mã hóa, ưu điểm và nhược điểm của công nghệ nhận dạng mã vạch Barcode trong quản lý sản phẩm công nghiệp.

Chương 3: Phương pháp thực hiện

Chương 3 là chương trọng tâm về tính toán và thiết kế kỹ thuật, bao gồm:

  • Đề xuất giải pháp cơ cấu quét mã vạch gắn trực tiếp tại cạnh bên giá kính.
  • Tính toán động học và động lực học bộ truyền đai răng GT2 ($m = 0,5\text{ kg}$, $V_{\max} = 0,05\text{ m/s}$, $t = 0,5\text{ s}$), lựa chọn động cơ bước 57BYG250B ($1,8\text{ Nm}$, $3\text{A}$), pully 32 răng và module đọc GM65.
  • Tính toán kết cấu chịu lực của khung thép hộp $50 \times 50 \times 3\text{ mm}$ dưới tải trọng $50.000\text{ N}$ ($5\text{ tấn}$), phân tích ứng suất và chuyển vị trên phần mềm SolidWorks.
  • Thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống, sơ đồ đấu nối phần điện với Raspberry Pi 3 Model B, mạch điều khiển động cơ TB6600 ($1/4$ vi bước, $800\text{ xung/vòng}$), công tắc hành trình kiểu nhấn NO/PNP.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật cập nhật CSDL kho kính, giải thuật phân tích chuỗi dữ liệu mã vạch sau khi quét tự động và thiết kế các giao diện người dùng trên phần mềm quản lý.

Chương 4: Kết quả và thực nghiệm

Chương 4 công bố kết quả chế tạo thực tế của mô hình cơ điện và các giao diện chức năng của phần mềm quản lý. Tác giả tiến hành thực nghiệm quét mã vạch trên mô hình thực tế ở 3 điều kiện thử nghiệm khác nhau (không có kính, có 5 tấm kính, có 10 tấm kính) với thời gian quét cố định $45\text{ giây/chu trình}$. Toàn bộ dữ liệu thực nghiệm, tỷ lệ nhận diện chính xác và phân tích nguyên nhân sai số được tổng hợp chi tiết qua các bảng biểu.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tổng kết các kết quả đạt được về mặt cơ khí, điện tử và phần mềm; thẳng thắn chỉ ra các hạn chế còn tồn tại (chất lượng đầu đọc quang học GM65 đôi khi gây sót mã, độ bền cơ học của tem nhãn dán trên kính) và đề xuất các giải pháp khắc phục cùng hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán mô phỏng kết cấu cơ khí (SolidWorks Simulation)

Dưới tác dụng của tải trọng tĩnh phân bố đều $50.000\text{ N}$ ($5\text{ tấn}$) tác động lên khung đỡ kính làm bằng thép hộp vuông $50 \times 50 \times 3\text{ mm}$, kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn thu được các thông số kỹ thuật:

  • Ứng suất Von Mises lớn nhất ($\sigma_{\max}$): $6,0336 \times 10^8\text{ N/m}^2$.
  • Ứng suất Von Mises nhỏ nhất ($\sigma_{\min}$): $2,820 \times 10^5\text{ N/m}^2$.
  • Độ bền uốn (Yield Strength) của vật liệu thép: $6,2042 \times 10^8\text{ N/m}^2$.
  • Kết luận bền: Do $\sigma_{\max} < \text{Yield Strength}$, khung kết cấu đảm bảo khả năng chịu tải trọng $5\text{ tấn}$ phôi kính mà không bị biến dạng dẻo hay phá hủy kết cấu.
  • Chuyển vị kết cấu:
    • Chuyển vị theo trục X ($U_X$): Lớn nhất $0,4872\text{ mm}$, nhỏ nhất $-0,4712\text{ mm}$.
    • Chuyển vị theo trục Y ($U_Y$): Lớn nhất $0,7957\text{ mm}$, nhỏ nhất $-0,4545\text{ mm}$.
    • Chuyển vị theo trục Z ($U_Z$): Lớn nhất $0,01648\text{ mm}$, nhỏ nhất $-17,79\text{ mm}$ (tập trung tại các vị trí liên kết chịu tải chính trên đỉnh khung).

Kết quả thực nghiệm quét mã vạch thực tế

Hệ thống thực hiện quét tự động với hành trình $600\text{ mm}$, thời gian thực hiện mỗi chu trình quét hoàn chỉnh (từ vị trí Home đến cuối hành trình và quay về vị trí ban đầu) là $45\text{ giây}$. Kết quả thực nghiệm được ghi nhận qua các bảng số liệu sau:

Bảng 1: Thực nghiệm quét khi không có kính trên giá

Lần thực hiện Thời gian hoàn thành (giây) Kết quả quét Ghi chú
1 45 Đúng Hệ thống báo không có mã vạch
2 45 Đúng Hệ thống báo không có mã vạch
3 45 Đúng Hệ thống báo không có mã vạch
4 45 Đúng Hệ thống báo không có mã vạch
5 45 Đúng Hệ thống báo không có mã vạch
Độ chính xác 100% 5/5 lần đúng CSDL cập nhật kho hàng trống

Bảng 2: Thực nghiệm quét khi có 5 tấm kính trên giá (thay đổi vị trí giữa các lần thử)

Lần thực hiện Thời gian hoàn thành (giây) Kết quả quét Ghi chú
1 45 Đúng Nhận diện đúng 5 mã và vị trí
2 45 Đúng Nhận diện đúng 5 mã và vị trí
3 45 Đúng Nhận diện đúng 5 mã và vị trí
4 45 Đúng Nhận diện đúng 5 mã và vị trí
5 45 Lỗi Đầu đọc GM65 đọc thiếu mã vạch
Độ chính xác 95% 4/5 lần đúng Sai số do chất lượng quang học đầu đọc

Bảng 3: Thực nghiệm quét khi có 10 tấm kính trên giá (thay đổi vị trí giữa các lần thử)

Lần thực hiện Thời gian hoàn thành (giây) Kết quả quét Ghi chú
1 45 Đúng Nhận diện chính xác 10/10 tấm kính
2 45 Đúng Nhận diện chính xác 10/10 tấm kính
3 45 Đúng Nhận diện chính xác 10/10 tấm kính
4 45 Đúng Nhận diện chính xác 10/10 tấm kính
5 45 Đúng Nhận diện chính xác 10/10 tấm kính
Độ chính xác 100% 5/5 lần đúng CSDL đồng bộ đầy đủ thông tin

Đóng góp kỹ thuật của đồ án

  • Thiết kế thành công cơ cấu cơ điện quét mã vạch tự động nhỏ gọn, có khả năng tích hợp trực tiếp vào thành bên của các khung giá để kính tiêu chuẩn công nghiệp hiện hữu mà không cần thay đổi lớn kết cấu nhà xưởng.
  • Xây dựng giải thuật phân tích và tự động đồng bộ CSDL thông minh, cho phép tự động phát hiện sự dịch chuyển của tấm kính giữa các giá đỡ khác nhau và tự động cập nhật lại sơ đồ lưu kho.
  • Cung cấp một bộ phần mềm quản trị kho kính với đầy đủ các tính năng thực tế: quản lý thông số hình học phôi kính, theo dõi tiến độ đơn hàng, hỗ trợ xuất/nhập Excel và in phiếu xuất kho trực quan.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được nhóm tác giả ghi nhận từ quá trình vận hành thực tế:

  • Giới hạn số lượng mẫu thực nghiệm: Mặc dù cơ cấu được thiết kế chịu tải và không gian chứa tối đa 40 tấm kính dày $12 - 15\text{ mm}$, do điều kiện kinh phí và vật tư thực tế, nhóm chỉ mới tiến hành thử nghiệm quét tối đa 10 tấm kính trên mô hình.
  • Độ tin cậy của đầu đọc quang học: Module đọc mã vạch GM65 là dòng thiết bị phổ thông, trong một số điều kiện góc nghiêng hoặc ánh sáng môi trường có thể xảy ra hiện tượng đọc sót mã vạch (như ghi nhận tại lần quét thứ 5 trong thử nghiệm 5 tấm kính).
  • Độ bền của tem nhãn: Tem mã vạch dán trên mép kính có nguy cơ bị bong tróc, trầy xước hoặc rách trong quá trình vận chuyển phôi kính nặng, làm suy giảm khả năng nhận diện quang học.

Hướng phát triển và biện pháp khắc phục do tác giả đề xuất:

  • Nâng cấp đầu đọc mã vạch công nghiệp có tốc độ quét cao hơn, độ nhạy quang học tốt hơn và góc quét rộng hơn để triệt tiêu hiện tượng sót mã.
  • Nghiên cứu sử dụng vật liệu tem nhãn chuyên dụng có khả năng chịu lực ma sát, chống thấm nước và chống trầy xước trong môi trường nhà máy kính.
  • Mở rộng quy mô thử nghiệm với đầy tải 40 tấm kính theo đúng công suất thiết kế cơ khí.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Tự động hóa và Robot: Cung cấp phương pháp luận hoàn chỉnh về việc tích hợp hệ thống cơ điện tử từ khâu tính toán động học truyền động đai, thiết kế mạch công suất động cơ bước, lập trình nhúng Raspberry Pi đến xây dựng phần mềm quản lý trên máy tính.
  • Kỹ sư thiết kế cơ khí và kết cấu: Tham khảo quy trình phân tích ứng suất, biến dạng và kiểm nghiệm bền phần tử hữu hạn (FEM) cho kết cấu khung giá đỡ tải trọng lớn ($5\text{ tấn}$) bằng SolidWorks Simulation.
  • Kỹ sư và nhà quản lý tại các nhà máy sản xuất kính phẳng/kính cường lực: Tham khảo giải pháp tự động hóa khâu quản lý phôi kính thừa và theo dõi tiến độ đơn hàng nhằm giảm thiểu chi phí vật tư và nhân công vận hành kho.

Câu hỏi thường gặp

1. Khung giá đỡ kính trong đồ án được thiết kế bằng vật liệu gì và khả năng chịu tải trọng tối đa là bao nhiêu?
Khung giá đỡ được thiết kế từ thép hộp vuông quy cách $50 \times 50 \times 3\text{ mm}$ (mô đun đàn hồi $2,1 \times 10^{11}\text{ N/m}^2$, giới hạn chảy $6,2042 \times 10^8\text{ N/m}^2$). Kết quả phân tích phần tử hữu hạn (FEM) trên SolidWorks chứng minh khung chịu được tải trọng tĩnh an toàn lên đến $50.000\text{ N}$ (tương đương $5\text{ tấn}$ kính) với ứng suất lớn nhất đạt $6,0336 \times 10^8\text{ N/m}^2$, nhỏ hơn độ bền uốn của vật liệu.

2. Cơ cấu cơ khí di chuyển đầu đọc mã vạch sử dụng loại động cơ và bộ truyền động nào?
Cơ cấu sử dụng động cơ bước Model 57BYG250B ($24\text{VDC}$, dòng điện $3\text{A}$, mô-men xoắn $1,8\text{ Nm}$) kết hợp mạch điều khiển TB6600 (cài đặt vi bước $1/4$, tương ứng $800\text{ xung/vòng}$). Bộ truyền động là đai răng cao su GT2 (bước răng $2\text{ mm}$, bản đai $6\text{ mm}$) và pully nhôm 32 răng, dẫn động cụm đầu đọc nặng $0,5\text{ kg}$ với vận tốc quét $V_{\max} = 0,05\text{ m/s}$ trên hành trình $600\text{ mm}$.

3. Module đọc mã vạch được tích hợp trong hệ thống là dòng nào và có thông số quang học ra sao?
Hệ thống sử dụng module đọc mã vạch GM65 giao tiếp qua cổng USB. Cảm biến hình ảnh CMOS phát bước sóng ánh sáng $617\text{ nm}$ với LED trợ sáng $6500\text{K}$, góc quét $34^\circ$ ngang và $26^\circ$ dọc, khoảng cách đọc từ $25\text{ mm}$ đến $250\text{ mm}$, độ phân giải $\ge 0,1\text{ mm}$, hỗ trợ quét cả mã vạch 1D và mã 2D.

4. Thời gian hoàn thành một chu trình quét mã vạch và độ chính xác thực nghiệm của hệ thống đạt mức nào?
Thời gian hoàn thành một chu trình quét toàn bộ giá kính (đi và về) là $45\text{ giây}$. Độ chính xác thực nghiệm đạt $100%$ khi trên giá không có kính (5/5 lần đúng), đạt $95%$ khi có 5 tấm kính (4/5 lần đúng, 1 lần đọc sót do đầu đọc) và đạt $100%$ khi thử nghiệm với 10 tấm kính (5/5 lần đúng).

5. Giải thuật xử lý của phần mềm sẽ thực hiện thao tác gì nếu một tấm kính được chuyển từ giá này sang giá khác?
Khi cơ cấu quét nhận diện chuỗi mã vạch trên giá mới, giải thuật phân tích tại Client sẽ kiểm tra sự tồn tại của mã vạch đó trong CSDL. Nếu phát hiện mã vạch này đang thuộc về một giá kính khác trước đó, hệ thống sẽ tự động xóa bản ghi vị trí tại giá cũ và cập nhật thông tin vị trí mới trên giá vừa quét, đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu kho hàng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo hệ thống quản lý kho cho nhà máy kính" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết trọn vẹn bài toán cơ điện tử ứng dụng trong quản lý sản xuất công nghiệp. Đề tài kết hợp thành công giữa việc tính toán, chế tạo cơ cấu quét mã vạch tự động hành trình $600\text{ mm}$ dẫn động bằng đai răng GT2 với việc xây dựng phần mềm quản trị CSDL trực quan trên nền tảng truyền thông TCP/IP và Raspberry Pi. Kết quả thực nghiệm với thời gian quét $45\text{ giây}$ và độ chính xác nhận diện từ $95%$ đến $100%$ khẳng định tính khả thi và tiềm năng ứng dụng thực tế của mô hình trong việc nâng cao hiệu quả quản lý phôi kính và giảm thiểu chi phí sản xuất tại các nhà máy kính hiện nay.