Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế hội nhập kinh tế quốc tế và hiện đại hóa sản xuất tại Việt Nam, nhu cầu tự động hóa các khâu phụ trợ trong nhà máy, kho bãi và hệ thống logistics ngày càng trở nên cấp thiết. Các doanh nghiệp sản xuất và thương mại đối mặt với bài toán tối ưu hóa chi phí vận hành kho bãi, giảm thiểu diện tích chứa hàng, hạn chế hư hỏng sản phẩm do xếp dỡ thủ công, đồng thời nâng cao độ chính xác khi kiểm soát hàng tồn kho theo thời gian thực. Thực tiễn công nghiệp quốc tế ghi nhận các đơn vị như Amazon đã nâng năng suất kho hàng lên 40% doanh thu và cắt giảm chi phí vận hành xuống dưới 10% nhờ áp dụng hệ thống phân loại thông minh. Tại Việt Nam, nhiều doanh nghiệp chuyển dịch từ phương thức phân loại thủ công sang dây chuyền tự động nhằm khắc phục tình trạng tốn kém nhân công, chậm trễ tiến độ và sai sót trong quá trình luân chuyển đơn hàng.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng đã triển khai đề tài: "Thiết kế, Chế tạo Mô Hình Phân Loại, Bốc Xếp và Dán Thùng Sản Phẩm Theo Mã QR Code Sử Dụng PLC S7-1200".

Mục tiêu nghiên cứu:

  1. Củng cố, đánh giá và hiện thực hóa các kiến thức lý thuyết về điều khiển số, cơ khí chính xác, khí nén và tự động hóa công nghiệp vào một mô hình thực tế.
  2. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình hệ thống tự động hóa khép kín có khả năng phân loại sản phẩm theo dữ liệu mã QR, bốc xếp sản phẩm vào thùng chứa và thực hiện thao tác dán thùng.
  3. Xây dựng tài liệu học tập, nghiên cứu và nguồn tham khảo kỹ thuật cho sinh viên các khóa sau cũng như các kỹ sư quan tâm đến giải pháp phân loại hàng hóa bằng mã QR trong nhà máy.

Nhiệm vụ nghiên cứu (chia làm 6 nội dung công việc):

  • Nội dung 1: Khảo sát thị trường, đối tượng nghiên cứu và giới thiệu tổng quan đề tài.
  • Nội dung 2: Lập kế hoạch chi tiết, tiến độ thời gian; thiết kế bản vẽ 3D trên phần mềm Solidworks; lập danh mục và đặt mua linh kiện.
  • Nội dung 3: Thi công chế tạo cơ khí, lắp ráp mô hình; kiểm tra độ hoàn thiện sơ bộ và vận hành thử nghiệm ban đầu.
  • Nội dung 4: Xây dựng chương trình điều khiển mẫu trên PLC và phần mềm máy tính; kiểm tra, hiệu chỉnh sai số hoạt động.
  • Nội dung 5: Đo lường, vận hành đánh giá kết quả thực hiện của toàn hệ thống.
  • Nội dung 6: Tổng kết đề tài, báo cáo định kỳ với giảng viên hướng dẫn và bảo vệ tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC), phần mềm lập trình TIA Portal, Driver điều khiển động cơ bước TB6600, camera nhận dạng Logitech C270, hệ thống cảm biến quang điện NPN, cơ cấu truyền động vít me bi, hệ thống kẹp hút chân không và xilanh khí nén.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế phần cứng mô hình cơ - điện hoàn chỉnh và lập trình thuật toán điều khiển, xử lý ảnh, giám sát hệ thống phân loại, bốc xếp, dán thùng theo mã QR.
  • Giới hạn đề tài: Do kinh phí chế tạo hạn hẹp cùng điều kiện cơ sở vật chất và thời gian của đồ án tốt nghiệp, đề tài tập trung chế tạo mô hình thực nghiệm hoạt động ở quy mô vừa phải; chưa tích hợp động cơ Servo công nghiệp đắt tiền hay các vật liệu gia công cơ khí cao cấp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết cơ học, kỹ thuật điều khiển và công nghệ nhận dạng quang học tự động:

  • Lý thuyết cơ học chế tạo máy: Áp dụng các nguyên lý tính toán cơ bản từ các môn học Máy cắt kim loại, Sức bền vật liệu và Vẽ kỹ thuật để xác định độ bền cơ học, độ chính xác truyền động và tính công nghệ của các cơ cấu gá đặt, băng tải và cụm truyền động trục vít.
  • Lý thuyết mã nhận dạng tự động: Đồ án đối sánh các hệ thống mã vạch một chiều (1D) như UPC (12 chữ số ứng dụng tại Bắc Mỹ), EAN (đặc biệt là EAN-13 phổ biến tại Việt Nam với tiền tố quốc gia 893), Code 39 (hỗ trợ 39 ký tự chữ, số và ký tự đặc biệt) với hệ thống mã vạch hai chiều (2D) ma trận QR Code (Quick Response Code). Mã QR được chọn làm cơ sở phân loại nhờ dung lượng lưu trữ lớn, cấu trúc ma trận 2D hỗ trợ sửa lỗi, đọc được ở góc xoay linh hoạt và tốc độ quét cao bằng camera kỹ thuật số.

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp tham khảo tài liệu: Thu thập công thức giải tích chuẩn để tính toán lực đẩy xilanh khí nén, lực kéo băng tải ma sát, lực giữ của núm hút chân không và mô-men xoắn của động cơ bước dẫn động trục vít me.
  • Phương pháp tính toán và mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm CAD Solidworks để thiết kế bản vẽ kỹ thuật chi tiết (hình chiếu đứng, chiếu bằng, chiếu cạnh và mô hình phối cảnh 3D), tối ưu kích thước không gian trước khi chế tạo cơ khí.
  • Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật và tích hợp hệ thống: Lắp ráp linh kiện thực tế, kết nối I/O vật lý, phối ghép truyền thông giữa camera qua máy tính với PLC S7-1200, đo lường các thông số thực tế để hiệu chỉnh thông số vận hành của xilanh, cảm biến và động cơ.

Nguồn dữ liệu: Dữ liệu sử dụng gồm thông số kỹ thuật tiêu chuẩn từ nhà sản xuất linh kiện công nghiệp: tài liệu kỹ thuật dòng PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C, thông số cảm biến quang NPN Omron E3F-DS30P1, thông số webcam Logitech C270 HD, đặc tính kỹ thuật driver TB6600, catalog van điện từ 5/2, bơm hút chân không 24VDC và động cơ bước Nema 42 (KV4234-F2B009S).

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế dưới dạng dây chuyền liên hoàn gồm 4 quy trình công nghệ chính, phối hợp nhịp nhàng giữa cơ khí, khí nén, điện tử và phần mềm điều khiển.

Phân hệ / Quy trình Thiết bị & Cơ cấu chính Thông số kỹ thuật danh định Chức năng hoạt động
Quy trình cấp phôi Phôi mẫu nắp bít PVC, Xilanh khí nén kép, Cảm biến quang E3F-DS30P1, Van điện từ 5/2 Đường kính phôi $\phi 60,\text{mm}$, khối lượng $m = 0{,}03,\text{kg}$; áp suất khí $p = 2,\text{bar}$ ($0{,}2,\text{MPa}$); nguồn cấp $24,\text{VDC}$ Cảm biến nhận diện phôi trong ống chứa, kích hoạt van 5/2 đưa piston đẩy phôi lên băng chuyền tải
Quy trình quét mã QR Băng tải dây đai PVC, Camera Logitech C270, Máy tính xử lý ảnh Chiều dài $L = 600,\text{mm}$, rộng $B = 100,\text{mm}$, đường kính rulô $D = 40,\text{mm}$; Camera độ phân giải tối đa $2048 \times 1536$ pixel Động cơ băng chuyền kéo phôi dừng trước vùng nhìn camera; phần mềm giải mã QR và gửi tín hiệu định danh về PLC
Quy trình bốc xếp Trục vít me bi, Động cơ bước 42, Driver TB6600, Bơm hút mini, Núm hút chân không Vít me dài $l = 500,\text{mm}$, bước $P_B = 4,\text{mm}$, đường kính $D_B = 8,\text{mm}$; Bơm 80 kPa, $24,\text{VDC} - 500,\text{mA}$; Động cơ bước KV4234-F2B009S Chuyển động tịnh tiến đưa cụm hút đến gắp sản phẩm thuộc nhóm 2 sang thùng chứa bên cạnh; sản phẩm nhóm 1 chạy thẳng
Quy trình dán thùng Xilanh khí nén xoay, Cụm giữ và miết cuộn băng dính Cơ cấu truyền động xoay kết hợp lực ép tịnh tiến; băng keo tiêu chuẩn Ép nắp thùng carton và miết dải băng keo niêm phong miệng thùng sau khi đủ số lượng 2 sản phẩm

Tính toán kiểm nghiệm các cụm cơ cấu chính:

  1. Lực đẩy xilanh cấp phôi:

    • Khối lượng phôi nắp nhựa PVC: $m = 0{,}03,\text{kg}$.
    • Gia tốc dịch chuyển: $a = 9{,}8,\text{m/s}^2$. Lực đẩy phôi yêu cầu: $$F = m \cdot a = 0{,}03 \times 9{,}8 = 0{,}294,\text{N}$$
    • Lực đẩy danh định của xilanh với áp suất khí nén $p = 2,\text{bar} = 0{,}2 \times 10^6,\text{N/m}^2$, bán kính nòng xilanh $R = 3,\text{mm} = 0{,}003,\text{m}$: $$S = \pi \cdot R^2 = 3{,}1416 \times (0{,}003)^2 = 0{,}28 \times 10^{-4},\text{m}^2$$ $$F_đ = S \cdot p = 0{,}28 \times 10^{-4} \times 0{,}2 \times 10^6 = 5{,}6,\text{N}$$
    • Do $F_đ = 5{,}6,\text{N} > 0{,}294,\text{N}$, xilanh khí nén được chọn bảo đảm lực cấp phôi an toàn.

  2. Lực kéo băng tải:

    • Chiều dài $L = 600,\text{mm}$, chiều rộng $B = 100,\text{mm}$, tải trọng làm việc $m = 1{,}5,\text{kg}$. Đường kính rulô $D = 40,\text{mm}$.
    • Tốc độ quay trục dẫn $N_t = \frac{1000 \cdot v}{\pi \cdot D} = 23{,}8,\text{vòng/phút}$. Bộ truyền xích dẫn động chọn đĩa xích $Z_1 = Z_2 = 18$ răng (tỷ số truyền $i = 1$).
    • Lực ma sát trượt và lực căng băng tải tính toán với hệ số ma sát giữa băng PVC và mặt trượt đỡ nhựa $\mu_l = 0{,}25$: lực kéo dao động từ $F_k = 0{,}564,\text{N}$ đến $1{,}15,\text{N}$, làm cơ sở chọn động cơ giảm tốc kéo băng tải.

  3. Cơ cấu giác hút chân không:

    • Khối lượng vật gắp: $m = 0{,}03,\text{kg}$, thời gian gia tốc nâng $t = 1,\text{s}$ với vận tốc tức thời $v = 10,\text{m/s}$ (gia tốc $a = 10,\text{m/s}^2$), hệ số an toàn $S = 1{,}5$.
    • Lực nâng lý thuyết yêu cầu: $$F_{th} = m \cdot (g + a) \cdot S = 0{,}03 \times (9{,}81 + 10) \times 1{,}5 \approx 0{,}5943,\text{N}$$
    • Lực hút thực tế do núm hút chân không tạo ra khi liên kết với bơm mini (áp suất chân không $80,\text{kPa}$): $$W = P \cdot S \cdot 0{,}1 \cdot \frac{1}{8} = 11,\text{N}$$
    • Lực nâng $W = 11,\text{N}$ lớn hơn rất nhiều so với lực yêu cầu $F_{th} \approx 0{,}5943,\text{N}$, bảo đảm phôi không bị trượt rơi khi nâng hạ tốc độ cao.

  4. Động cơ bước dẫn động cơ cấu vít me bi:

    • Trục vít me dài $l = 500,\text{mm}$, bước ren $P_B = 4,\text{mm}$, đường kính $D_B = 8,\text{mm}$, tải trọng bàn trượt $m = 10,\text{kg}$.
    • Tính toán mô-men quán tính trục vít $J_B$, mô-men quán tính tải bàn máy $J_T$, mô-men tăng tốc $T_a$ tại tốc độ quay $N_M = 250,\text{vòng/phút}$ và hệ số an toàn $S_f = 2$.
    • Mô-men xoắn yêu cầu tính được: $T_M = 0{,}85,\text{N}\cdot\text{m}$. Nhóm tác giả lựa chọn động cơ bước mã hiệu KV4234-F2B009S kết hợp Driver TB6600 đáp ứng chính xác yêu cầu tải và gia tốc.

Kiến trúc phần mềm và điều khiển:

  • Bộ điều khiển trung tâm (PLC): Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, lập trình điều khiển trình tự theo sơ đồ trạng thái trên TIA Portal, tiếp nhận tín hiệu từ 5 cảm biến quang điện và xuất lệnh điều khiển các cuộn hút van điện từ, relay trung gian, động cơ bước.
  • Phân hệ thị giác xử lý ảnh: Xây dựng trên môi trường Microsoft Visual Studio bằng ngôn ngữ lập trình bậc cao; thực hiện kết nối camera Logitech C270 để chụp ảnh, tiền xử lý và giải mã QR Code thành chuỗi định danh. Dữ liệu sau đó được ánh xạ sang tín hiệu logic truyền trực tiếp xuống bộ nhớ trung gian của PLC để thực hiện rẽ nhánh quy trình.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Giới thiệu chung

Chương này phân tích tổng quan bối cảnh tự động hóa trong cuộc cách mạng công nghiệp, vai trò của bộ vi xử lý, PLC và công nghệ nhận dạng trong sản xuất. Tác giả trình bày lý do chọn đề tài, các lợi ích then chốt của dây chuyền phân loại tự động đối với kho hàng (giảm nhân công, tránh hỏng hóc, rút ngắn thời gian thu hồi vốn đầu tư). Chương 1 xác định rõ mục tiêu nghiên cứu, thực tiễn đề tài, đối tượng nghiên cứu (PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, TIA Portal, Driver TB6600), phạm vi thực hiện và chỉ ra các giới hạn kỹ thuật do điều kiện cơ sở vật chất và kinh phí. Cuối chương, các cơ sở thiết kế máy theo tiêu chuẩn độ bền, độ chính xác và tính công nghệ được thiết lập dựa trên lý thuyết môn học Cơ sở máy cắt kim loại và Sức bền vật liệu.

Chương 2. Giới thiệu về hệ thống phân loại sản phẩm trong sản xuất

Tác giả hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về các công nghệ phân loại hàng hóa công nghiệp. Khái quát 4 phương thức phân loại sản phẩm phổ biến trên thị trường:

  1. Phân loại theo khối lượng (cân kiểm tra online trong ngành thủy hải sản, nông sản).
  2. Phân loại theo màu sắc (sử dụng camera vision phân loại nông sản hạt, nhựa màu với năng suất từ $0{,}8 - 15,\text{tấn/giờ}$, tỷ lệ chính xác $>99%$).
  3. Phân loại theo kích thước (năng suất $3 - 5,\text{tấn/giờ}$, tương đương $1000 - 1100,\text{sản phẩm/phút}$).
  4. Phân loại theo mã vạch (đạt tốc độ tới $10.000,\text{sản phẩm/giờ}$, nhanh gấp 3 đến 5 lần thao tác quét tay thủ công).

Phần tiếp theo của chương đi sâu vào bản chất công nghệ mã QR (Quick Response Code do Denso Wave phát triển), phân tích ưu điểm ma trận 2D so với mã vạch 1D truyền thống (UPC 12 chữ số, EAN-13, Code 39 với giới hạn 39 ký tự). Tác giả dẫn chứng số liệu thực tế tại các trung tâm logistics tại Việt Nam đạt công suất phân loại lên tới 300.000 đơn hàng/ngày để khẳng định tính cấp thiết của công nghệ đọc mã tự động.

Chương 3. Phân tích, xác định hệ thống phân loại, bốc xếp, dán thùng sản phẩm

Chương 3 xác định mục tiêu vận hành và phân rã hệ thống thành 4 quy trình công nghệ nối tiếp: Cấp phôi tự động $\rightarrow$ Quét mã QR phân loại $\rightarrow$ Bốc xếp sản phẩm vào thùng $\rightarrow$ Dán thùng. Tác giả thiết lập nguyên lý hoạt động tổng thể:

  • Khi nhấn nút Start, cảm biến 1 phát hiện phôi, sau 1 giây xilanh đẩy phôi ra băng tải.
  • Băng tải kéo sản phẩm đến cảm biến 2 thì dừng lại để camera quét mã QR.
  • Nếu là mã 1, băng tải tiếp tục chạy cho sản phẩm rơi vào thùng chứa thứ nhất. Nếu là mã 2, sản phẩm được đưa đến vị trí cảm biến 3, cơ cấu hút chân không gắn trên trục vít me nâng phôi và chuyển sang thùng thứ hai đang chờ sẵn.
  • Khi thùng gom đủ 2 sản phẩm, hệ thống kích hoạt cơ cấu dán thùng hoàn thiện.

Cuối chương là sơ đồ khối chi tiết gồm 6 khối chức năng: Khối nguồn, Khối tín hiệu (5 cảm biến quang), Khối điều khiển (PLC S7-1200), Khối phân loại (4 xilanh khí nén), Khối vận chuyển (2 băng tải, 1 bộ truyền vít me bi, 1 cơ cấu hút chân không) và Khối dán thùng.

Chương 4. Tính toán thiết kế hệ thống

Đây là chương nội dung kỹ thuật trọng tâm của đồ án. Tác giả trình bày bản vẽ 2D (chiếu đứng, chiếu bằng, chiếu cạnh) và mô hình 3D hoàn chỉnh thiết kế trên Solidworks. Chương này tập trung vào các bài toán tính toán cơ học và chọn lựa thiết bị cụ thể:

  • Quy trình cấp phôi: Tính lực đẩy phôi ($F = 0{,}294,\text{N}$), tính toán diện tích tiết diện piston ($S = 0{,}28 \times 10^{-4},\text{m}^2$) và lực đẩy xilanh khí nén ($F_đ = 5{,}6,\text{N}$ ở áp suất 2 bar); lựa chọn cảm biến quang NPN E3F-DS30P1, van điện từ 5/2, relay trung gian 8 chân và bộ nguồn xung tổ ong $24,\text{VDC}$.
  • Quy trình quét mã QR: Xác định thông số kỹ thuật camera Logitech C270; tính toán lực kéo băng tải PVC dài $600,\text{mm}$ ($F_k = 0{,}564 - 1{,}15,\text{N}$), tốc độ quay trục dẫn $23{,}8,\text{vòng/phút}$, bộ truyền xích đĩa $Z_1 = Z_2 = 18$ răng, tỷ số truyền $i = 1$.
  • Quy trình bốc xếp: Lựa chọn xilanh kép dẫn hướng nâng hạ, bơm hút chân không mini ($24,\text{VDC} - 500,\text{mA}$, áp suất $80,\text{kPa}$), núm hút silicon; tính toán lực nâng yêu cầu ($F_{th} = 0{,}5943,\text{N}$) và lực hút thực tế ($W = 11,\text{N}$). Tính toán cơ cấu vít me bi ($l = 500,\text{mm}$, bước $P_B = 4,\text{mm}$, đường kính $D_B = 8,\text{mm}$) và chọn động cơ bước KV4234-F2B009S dựa trên mô-men xoắn yêu cầu $0{,}85,\text{N}\cdot\text{m}$.
  • Quy trình dán thùng: Tính toán truyền động xilanh xoay và cơ cấu miết băng dính.
  • Phân tích phương án điều khiển: Đánh giá ưu nhược điểm của bộ điều khiển PLC S7-1200 và giới thiệu môi trường phát triển phần mềm Visual Studio.

Chương 5. Thiết kế phần điều khiển

Nội dung chương trình bày việc lập bảng phân công địa chỉ đầu vào/đầu ra (I/O Mapping) của PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC tương ứng với 5 cảm biến quang, các công tắc hành trình, các van điện từ 5/2 điều khiển xilanh, rơle đóng cắt bơm chân không và các xung điều khiển Driver TB6600. Tác giả xây dựng chương trình Visual Studio để nhận luồng video từ camera Logitech C270, tiền xử lý ảnh nhị phân, giải mã chuỗi ký tự mã QR và chuyển đổi dữ liệu thành các cờ bit gửi qua cổng truyền thông tới PLC. Tiếp đó, chương trình Ladder Logic trên TIA Portal được thiết kế theo các khối hàm tổ chức điều khiển tuần tự từng chu trình.

Chương 6. Lắp ráp hoàn thiện mô hình

Trình bày các bước gia công cơ khí thực tế, định vị gá lắp các cụm băng tải, trục vít me, hệ thống đường ống khí nén và bố trí tủ điện điều khiển. Tác giả tiến hành đấu nối dây tín hiệu từ cảm biến và dây lực cấp nguồn cho xilanh, rơle và động cơ; kiểm tra an toàn điện, hiệu chỉnh vị trí lắp đặt camera để đảm bảo khoảng cách lấy nét chuẩn xác cho mã QR.

Chương 7. Kết luận và tính an toàn

Tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của ThS. Võ Quang Trường. Phân tích các tiêu chuẩn an toàn vận hành điện, áp suất khí nén trong mô hình cơ điện tử và thảo luận ngắn gọn về các vấn đề tác động toàn cầu của tự động hóa đối với môi trường sản xuất công nghiệp.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được:

  • Chế tạo thành công mô hình hệ thống tự động hóa liên hoàn gồm 4 cụm công tác: Cấp phôi tự động $\rightarrow$ Quét mã QR phân loại $\rightarrow$ Bốc xếp sản phẩm theo tọa độ $\rightarrow$ Dán thùng.
  • Kiểm nghiệm chính xác các công thức tính toán kỹ thuật với thông số thực tế của mô hình:
    • Lực đẩy xilanh cấp phôi đạt $F_đ = 5{,}6,\text{N}$, vượt yêu cầu tối thiểu $0{,}294,\text{N}$ đối với phôi nắp bít PVC nặng $0{,}03,\text{kg}$.
    • Giác hút chân không đạt lực giữ $W = 11,\text{N}$, đảm bảo an toàn tuyệt đối so với lực nâng tính toán $F_{th} = 0{,}5943,\text{N}$.
    • Cơ cấu vít me bi bước $4,\text{mm}$, đường kính $8,\text{mm}$ hoạt động ổn định dưới sự dẫn động của động cơ bước Nema 42 (mô-men xoắn tính toán $0{,}85,\text{N}\cdot\text{m}$) qua Driver TB6600.
  • Xây dựng thành công giải thuật thị giác máy tính đọc mã QR bằng camera Logitech C270 trên nền tảng Visual Studio và tích hợp truyền thông thông suốt với PLC S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC) để điều phối hai nhánh sản phẩm (mã 1 cho trôi thẳng vào thùng, mã 2 gắp bốc xếp sang thùng kế bên).

Giải pháp và kiến nghị tác giả đề xuất:

  • Khuyến nghị ứng dụng công nghệ mã ma trận QR Code thay thế cho các hệ thống mã vạch truyền thống (UPC, Code 39) trong các dây chuyền phân loại đóng gói tự động nhờ khả năng lưu trữ thông tin đa dạng và nhận diện tin cậy dưới nhiều góc quét.
  • Đề xuất mô hình tích hợp lai giữa máy tính xử lý ảnh (chạy Visual Studio) và bộ điều khiển công nghiệp PLC S7-1200 như một giải pháp cân đối giữa chi phí đầu tư thiết bị và hiệu năng phân loại tự động cho các nhà xưởng quy mô vừa và nhỏ.

Đóng góp của đề tài:

  • Đóng góp về mặt đào tạo: Tạo ra một bộ giáo cụ trực quan, mô hình thực hành chuyên sâu kết hợp đầy đủ các phân hệ của ngành Cơ điện tử (Cơ khí chính xác, Khí nén điện tử, Điện tử công suất, Lập trình PLC công nghiệp và Xử lý ảnh máy tính) phục vụ học tập cho sinh viên khóa sau tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng.
  • Đóng góp về kỹ thuật ứng dụng: Đưa ra tài liệu tính toán chọn thiết bị cơ khí, khí nén và phương pháp kết nối I/O chuẩn mực làm tài liệu tham khảo cho việc thiết kế các hệ thống phân loại, đóng gói tự động trong công nghiệp thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được văn bản ghi nhận:

  • Do điều kiện kinh phí hạn hẹp, mô hình chưa thể tích hợp các thiết bị chấp hành công nghiệp cao cấp như động cơ Servo cho trục vít me hay các cụm cơ khí chuyên dụng chịu lực lớn.
  • Mô hình mới dừng lại ở việc thử nghiệm với sản phẩm giả lập kích thước nhỏ, khối lượng nhẹ (phôi nắp nhựa PVC đường kính $60,\text{mm}$, nặng $0{,}03,\text{kg}$).
  • Thời gian và trang thiết bị thực hiện đồ án tốt nghiệp còn hạn chế nên hệ thống mới tập trung hoàn thiện chức năng vận hành cơ bản của một chu trình máy đơn lẻ, chưa giải quyết trọn vẹn các bài toán tối ưu hóa chuyển động phức tạp.

Hướng nghiên cứu mở rộng:

  • Thay thế động cơ bước trên trục vít me bằng động cơ AC Servo kèm bộ encoder phản hồi vòng kín để nâng cao tốc độ di chuyển và độ chính xác lặp lại của khâu bốc xếp.
  • Nâng cấp cơ cấu cơ khí của khâu dán thùng để tương thích linh hoạt với nhiều kích cỡ thùng carton khác nhau thay vì một cỡ cố định.
  • Mở rộng giao diện điều khiển, tích hợp màn hình HMI công nghiệp hoặc hệ thống SCADA kết nối mạng công nghiệp để giám sát trực quan sản lượng, cảnh báo sự cố và cập nhật dữ liệu tồn kho lên cơ sở dữ liệu máy chủ từ xa.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho các nhóm đối tượng cụ thể:

  • Sinh viên ngành Cơ điện tử, Tự động hóa và Cơ khí chế tạo máy: Là tài liệu tham khảo hoàn chỉnh về quy trình thực hiện một đồ án tốt nghiệp từ khâu lập kế hoạch, mô phỏng 3D trên Solidworks, tính toán động học, động lực học đến lắp ráp mạch điện và lập trình PLC thực tế.
  • Kỹ sư thiết kế máy đóng gói và kho bãi: Cung cấp phương pháp luận và các bước tính toán giải tích chi tiết ở Chương 4 (tính chọn xilanh khí nén, tính công suất kéo băng tải xích, tính lực núm hút chân không và tính chọn mô-men xoắn động cơ bước cho trục vít me bi).
  • Người nghiên cứu ứng dụng thị giác máy tính công nghiệp: Tham khảo cách thức kết nối webcam phổ thông với môi trường Visual Studio để đọc mã QR và truyền tín hiệu điều khiển logic trực tiếp xuống bộ điều khiển công nghiệp PLC S7-1200.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển trung tâm và các công cụ phần mềm chính được đồ án sử dụng là gì?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình logic PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, lập trình qua phần mềm TIA Portal. Phân hệ nhận dạng và xử lý ảnh mã QR được viết trên môi trường Microsoft Visual Studio. Bản vẽ cơ khí 2D và 3D của mô hình được thiết kế hoàn toàn trên phần mềm CAD Solidworks.

2. Cơ cấu bốc xếp sản phẩm của mô hình sử dụng những thiết bị cơ khí và chấp hành nào?
Cơ cấu bốc xếp di chuyển tịnh tiến theo phương ngang nhờ trục vít me bi dài $500,\text{mm}$, bước ren $4,\text{mm}$, đường kính $8,\text{mm}$, được dẫn động bởi động cơ bước Nema 42 (KV4234-F2B009S) điều khiển qua Driver TB6600. Chuyển động nâng hạ và gắp phôi sử dụng cụm xilanh khí nén kết hợp với bơm hút chân không mini ($24,\text{VDC}$, áp suất $80,\text{kPa}$) nối với núm hút silicon tạo lực giữ $11,\text{N}$.

3. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn mã QR thay vì các loại mã vạch truyền thống như UPC hay Code 39?
Mã QR là mã ma trận 2D có khả năng lưu trữ lượng thông tin lớn hơn nhiều so với mã vạch 1D truyền thống (UPC chỉ chứa 12 chữ số, Code 39 tối đa 39 ký tự). Đồng thời, mã QR hỗ trợ cơ chế phục hồi dữ liệu khi bị mờ xước, cho phép camera đọc nhận diện nhanh chóng từ nhiều góc độ trong không gian hẹp mà không đòi hỏi phải căn chỉnh thẳng hàng tuyệt đối như đầu đọc mã vạch thông thường.

4. Nguyên lý phân loại sản phẩm sau khi camera quét mã QR được vận hành như thế nào?
Sau khi cảm biến quang phát hiện phôi dừng trước camera, phần mềm Visual Studio quét mã QR và xác định nhóm sản phẩm:

  • Nếu là mã sản phẩm 1: Băng tải tiếp tục vận hành để phôi chạy thẳng và rơi vào thùng thu gom thứ nhất.
  • Nếu là mã sản phẩm 2: Sản phẩm di chuyển đến vị trí cảm biến 3 thì dừng lại, cơ cấu vít me và giác hút chân không hạ xuống hút phôi, nâng lên và chuyển ngang sang đặt vào thùng thứ hai đang chờ sẵn. Khi thùng gom đủ 2 sản phẩm, hệ thống chuyển sang quy trình dán thùng.

5. Các thông số kiểm nghiệm lực đẩy xilanh và lực hút chân không trong đồ án có đạt yêu cầu kỹ thuật không?
Cả hai cơ cấu đều đạt hệ số an toàn cao theo tính toán tại Chương 4: Lực đẩy xilanh cấp phôi ở áp suất 2 bar đạt $F_đ = 5{,}6,\text{N}$, vượt xa lực đẩy phôi yêu cầu ($F = 0{,}294,\text{N}$ cho phôi nặng $0{,}03,\text{kg}$). Tương tự, lực nâng thực tế của giác hút chân không đạt $W = 11,\text{N}$, lớn hơn gấp nhiều lần so với lực nâng lý thuyết có xét hệ số an toàn ($F_{th} \approx 0{,}5943,\text{N}$).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình tích hợp khép kín từ khâu cấp phôi, nhận dạng mã QR, bốc xếp tọa độ đến dán thùng sản phẩm. Công trình kết hợp chặt chẽ giữa tính toán cơ học giải tích, lập trình điều khiển công nghiệp trên PLC S7-1200 và ứng dụng thị giác máy tính trên nền tảng Visual Studio. Mô hình vận hành ổn định, dữ liệu kiểm nghiệm thực tế trùng khớp với các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra, đóng vai trò là một tài liệu học thuật và giáo cụ thực hành cơ điện tử có giá trị tham khảo cao.