Thiết kế và thi công hệ thống lắp ráp sản phẩm

Đồ án thiết kế và thi công hệ thống lắp ráp sản phẩm tự động - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 2025

• Tác giả: Võ Văn Quyết
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Tấn Đời
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống lắp ráp sản phẩm
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống lắp ráp sản phẩm tự động

Nghiên cứu tự động hóa đóng vai trò nòng cốt trong sản xuất công nghiệp hiện đại. Đề tài tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung nghiên cứu mô hình lắp ráp hoàn chỉnh. Hệ thống kết hợp cơ khí chính xác, điều khiển điện tử và lập trình công nghiệp. Cấu trúc tổng thể bao gồm băng tải vận chuyển, cơ cấu cấp phôi và hai cánh tay robot. Bộ điều khiển lập trình trung tâm PLC Mitsubishi FX3U-48MT điều phối toàn bộ chu trình vận hành. Các cảm biến quang và cảm biến hồng ngoại xác định vị trí chi tiết trên băng chuyền. Động cơ servo điều khiển các trục chuyển động với độ tin cậy cao. Cơ cấu chấp hành thực hiện gắp phôi, định vị thân vỏ và siết vít tự động. Quy trình khép kín giúp loại bỏ sai sót từ thao tác thủ công. Thời gian chu kỳ của mỗi sản phẩm được rút ngắn đáng kể. Năng suất dây chuyền duy trì ở mức ổn định liên tục. Mô hình này cung cấp giải pháp thực tiễn cho các nhà máy chế tạo linh kiện điện tử. Dữ liệu vận hành được hiển thị trực tiếp trên giao diện màn hình HMI.

1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đề tài nghiên cứu hướng đến thiết kế một hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh. Phạm vi bao gồm chế tạo cơ khí và lập trình điều khiển thông minh. Nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đặt mục tiêu tối ưu cơ chế cấp phôi. Cụ thể, thiết bị phải định vị chuẩn xác thân hộp và nắp hộp nhựa. Robot di chuyển các chi tiết vào vị trí cố định trên bàn làm việc. Đầu bắn vít tự động liên kết các bộ phận bằng vít xoắn. Hệ thống loại bỏ hoàn toàn các thao tác thủ công dễ gây nhầm lẫn. Mô hình cũng tập trung giải quyết bài toán giao tiếp giữa nhiều thiết bị phần cứng. Quy trình thử nghiệm chứng minh khả năng vận hành liên tục và ổn định.

1.2. Cấu trúc phần cứng và thiết bị điều khiển cốt lõi

Phần cứng hệ thống bao gồm nhiều khối chức năng phối hợp chặt chẽ. Khối điều khiển trung tâm sử dụng PLC Mitsubishi FX3U-48MT với tốc độ xử lý lệnh cao. Thiết bị này hỗ trợ ngõ ra transistor để phát xung điều khiển chuyển động. Khối truyền động trang bị động cơ FASTECH EZI-Servo dòng 42L-A, 56S và 60L. Các bộ driver S-Servo II đóng vai trò kiểm soát vị trí và dòng điện chính xác. Hai cánh tay robot với kết cấu 3 bậc và 4 bậc tự do đảm nhiệm việc gắp chi tiết. Trục vít me bi dẫn hướng chuyển động cơ học mượt mà. Hệ thống cảm biến quang EE-SX676-WR và cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4 nhận biết sự hiện diện của phôi. Khí nén công nghiệp cấp nguồn cho cơ cấu cấp vít tự động.

II. Phân tích thách thức khi thi công hệ thống lắp ráp

Thi công hệ thống lắp ráp tự động đối mặt với nhiều yêu cầu kỹ thuật khắt khe. Độ chính xác cơ khí là yếu tố quyết định chất lượng liên kết sản phẩm. Trục vít me và cơ cấu dẫn hướng phải chịu tải rung lắc trong suốt quá trình làm việc. Sai lệch cơ học tích lũy dễ khiến mũi vít không khớp với lỗ ren định sẵn. Tình trạng kẹt vít hoặc chờn ren gây gián đoạn chu trình lắp ráp và làm hỏng sản phẩm. Vấn đề trễ tín hiệu giữa các cảm biến quang học cũng đòi hỏi tính toán cẩn trọng. Nếu cảm biến phát hiện trễ, robot sẽ gắp trượt phôi trên băng chuyền di động. Đồng thời, việc điều khiển đồng bộ nhiều động cơ servo đặt ra bài toán khó cho thuật toán điều khiển. Động cơ bước thông thường dễ mất bước khi thay đổi tải trọng đột ngột. Do đó, hệ thống bắt buộc phải áp dụng động cơ servo vòng kín để đọc phản hồi encoder liên tục. Ngoài ra, môi trường công nghiệp chứa nhiều nhiễu điện từ từ nguồn cấp và biến tần. Nhiễu xung có thể làm sai lệch số xung phát ra từ bộ điều khiển PLC. Nhóm thực hiện phải có phương án phân tích tỉ mỉ và đưa ra giải pháp xử lý triệt để.

2.1. Sai số vị trí và động học cơ cấu gắp đặt

Độ chính xác vị trí là bài toán trọng tâm trong hệ thống robot tự động. Hai cánh tay robot 3 bậc và 4 bậc tự do thực hiện các quỹ đạo phức tạp. Khâu chuyển động cơ khí luôn tồn tại độ rơ khớp nối và khe hở trục vít me. Nếu không hiệu chỉnh tốt, sai số góc quay sẽ nhân lên ở đầu gắp sản phẩm. Điều này dẫn tới va chạm cơ khí hoặc rơi rớt linh kiện trên bàn máy. Động học ngược đòi hỏi các phép tính lượng giác nhanh chóng và chuẩn xác trên PLC. Các xung điều khiển cấp cho driver phải duy trì tần số mượt mà để tránh hiện tượng giật cục. Quá trình phanh dừng đột ngột cũng sinh ra quán tính lớn, làm giảm tuổi thọ cơ khí.

2.2. Khó khăn trong tích hợp và giao tiếp tín hiệu công nghiệp

Việc kết nối nhiều thiết bị điều khiển đòi hỏi quy chuẩn truyền thông đồng bộ. Đề tài tích hợp đồng thời PLC, hai cánh tay robot, driver động cơ và màn hình HMI. Mỗi thiết bị có cấu hình truyền thông và giao thức tín hiệu riêng biệt. Giao tiếp qua mạng RS-485 Modbus RTU dễ phát sinh lỗi đường truyền nếu cáp không bọc kim chống nhiễu. Điện áp suy hao trên khoảng cách xa cũng gây mất gói tin dữ liệu. Thêm vào đó, bộ cấp vít khí nén hoạt động ở chu kỳ áp suất thay đổi liên tục. Sự sụt áp đột ngột làm chậm quá trình bắn vít và lệch nhịp đồng bộ của cả dây chuyền. Việc quản lý toàn bộ ngõ vào ra số trên PLC đòi hỏi phân bổ địa chỉ khoa học.

III. Giải pháp thiết kế và thi công hệ thống lắp ráp sản phẩm

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM triển khai giải pháp kỹ thuật toàn diện. Mô hình phần cứng được mô phỏng chi tiết trên phần mềm thiết kế cơ khí 3D trước khi gia công. Cấu trúc khung chịu lực chế tạo bằng hợp kim nhôm định hình nhằm tăng độ cứng vững và giảm khối lượng. Về phần điện, bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX3U-48MT được cấu hình làm trạm điều khiển trung tâm. Phương pháp điều khiển vị trí bằng xung tốc độ cao giải quyết triệt để vấn đề sai số cơ học. Các động cơ EZI-Servo tiếp nhận chuỗi xung phát ra từ ngõ transistor của PLC. Tần số xung quyết định tốc độ chạy, trong khi số lượng xung ấn định vị trí di chuyển chính xác. Nhóm áp dụng chế độ phát xung 1P và 2P kết hợp phản hồi tín hiệu từ encoder quang học. Thuật toán PID vòng kín hỗ trợ bù sai lệch vị trí theo thời gian thực. Giao thức truyền thông RS-485 Modbus RTU kết nối mượt mà giữa PLC và các trạm điều khiển robot phân tán. Màn hình cảm ứng HMI hỗ trợ người vận hành cài đặt tham số tọa độ, giám sát thời gian thực và xử lý sự cố.

3.1. Phương pháp điều khiển vị trí servo bằng phát xung

Phương pháp điều khiển vị trí bằng xung đóng vai trò chủ chốt trong hệ thống. Bộ điều khiển PLC phát ra chuỗi xung số với tần số biến thiên tới driver động cơ. Tốc độ di chuyển của cánh tay robot tỷ lệ thuận với tần số phát xung. Vị trí đích đến phụ thuộc chính xác vào tổng số xung phát ra từ ngõ transistor. Hệ thống sử dụng hai chuẩn tín hiệu gồm chế độ 1P Step/Direction và chế độ 2P CW/CCW. Chế độ 1P điều khiển hướng quay thông qua mức logic của chân DIR. Chế độ 2P phân chia xung độc lập cho chiều quay thuận và nghịch. Tín hiệu phản hồi từ encoder servo dòng EZI-Servo giúp driver so sánh sai số tức thời. Thuật toán điều khiển triệt tiêu sai số vị trí, đảm bảo robot dừng đúng tọa độ.

3.2. Thiết kế cơ cấu bắn vít và cấp phôi tự động

Cơ cấu bắn vít tự động kết hợp khí nén và truyền động cơ khí chính xác. Cụm cấp vít dạng phễu rung phân loại và đưa từng con vít vào ống dẫn khí nén. Khí nén đẩy vít đến mũi siết gắn trên đầu tool chuyên dụng. Trục vít me bi dẫn hướng đầu vít tịnh tiến theo phương thẳng đứng. Động cơ DC điều khiển lực xoắn siết chặt vít vào nắp hộp sản phẩm. Cảm biến quang học EE-SX676-WR kiểm tra sự hiện diện của vít trước khi kích hoạt quy trình bắt vít. Băng tải con lăn vận chuyển phôi đến vị trí chốt định vị khí nén. Cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4 phát hiện phôi và truyền tín hiệu ngắt về PLC. Cơ cấu đảm bảo lắp ráp kín khít thân hộp và nắp hộp chuẩn xác.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống lắp ráp sản phẩm tự động

Đồ án tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM khẳng định tính ứng dụng cao của mô hình trong thực tế. Toàn bộ chu trình từ cấp phôi, định vị, lắp nắp hộp đến bắt vít hoạt động nhịp nhàng và chuẩn xác. Sản phẩm hoàn thiện đạt tiêu chuẩn kỹ thuật về độ khít cơ học và lực siết ren. Việc làm chủ công nghệ điều khiển servo vòng kín và truyền thông Modbus RTU mở ra nhiều hướng mở rộng thiết thực. Mô hình này có thể nhân rộng sang các nhà máy sản xuất thiết bị điện tử, điện gia dụng hoặc đóng gói dược phẩm. Việc ứng dụng dây chuyền lắp ráp tự động giúp doanh nghiệp giảm bớt chi phí nhân công trực tiếp. Năng suất lao động tăng trưởng vượt trội cùng tỷ lệ lỗi sản phẩm giảm thiểu tối đa. Hệ thống bảo đảm tính an toàn cao cho môi trường lao động nhờ cơ chế cảnh báo thông minh trên HMI. Đề tài đóng góp tài liệu kỹ thuật giá trị cho sinh viên chuyên ngành Điều khiển và Tự động hóa. Thành công của mô hình chứng minh năng lực thiết kế và thi công hệ thống cơ điện tử phức tạp.

4.1. Hiệu quả vận hành và tối ưu hóa năng suất

Hệ thống lắp ráp tự động mang lại cải thiện rõ rệt về năng suất dây chuyền. Thời gian hoàn thành chu kỳ lắp ráp một hộp sản phẩm giảm đáng kể so với thao tác người. Các bước gắp phôi, ghép nắp và siết bốn ốc vít diễn ra liên tục theo chu trình tuần hoàn. Tốc độ chuyển động của robot được tinh chỉnh tối ưu nhằm triệt tiêu rung chấn cơ học. Tỷ lệ lỗi lệch tâm hoặc chờn ren vít giảm xuống mức gần như bằng không. Dây chuyền có thể vận hành ổn định trong thời gian dài mà không phụ thuộc vào tay nghề công nhân. Chi phí vận hành sản xuất tổng thể nhờ đó được tiết kiệm đáng kể.

4.2. Tiềm năng phát triển và tích hợp thị giác máy tính

Mô hình đồ án mở ra tiềm năng nâng cấp to lớn cho hệ thống tự động hóa. Hướng phát triển khả thi nhất là tích hợp camera thị giác máy tính vào cánh tay robot. Camera hỗ trợ nhận diện phôi đặt ngẫu nhiên trên băng chuyền thay vì sử dụng cữ chặn cơ học. Thuật toán xử lý ảnh số xác định tọa độ và góc xoay của sản phẩm để robot tự động căn chỉnh. Ngoài ra, việc kết nối hệ thống với nền tảng điện toán đám mây và IoT công nghiệp giúp giám sát sản xuất từ xa. Ban quản lý nhà máy có thể theo dõi tỷ lệ sản phẩm lỗi và cảnh báo bảo trì dự đoán qua biểu đồ trực quan. Sự kết hợp này đưa hệ thống tiếp cận tiêu chuẩn nhà máy thông minh Industry 4.0.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế tự động hóa sản xuất công nghiệp, việc tối ưu hóa các công đoạn gia công và lắp ráp đóng vai trò trọng yếu nhằm nâng cao năng suất, cắt giảm chi phí nhân công và hạn chế sai sót do con người. Tại các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ ở Việt Nam, nhiều công đoạn đơn giản như định vị nắp hộp vào thân hộp và siết vít cố định vẫn được thực hiện theo phương thức thủ công. Thao tác lặp đi lặp lại nhiều lần dễ dẫn đến hiện tượng suy giảm sức khỏe người lao động, thiếu sự đồng đều về chất lượng mối ghép và năng suất lắp ráp thấp. Nhằm giải quyết vấn đề thực tế này, đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống lắp ráp sản phẩm" được thực hiện như một mô hình thực nghiệm ứng dụng các giải pháp điều khiển lập trình và cơ điện tử.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm các điểm cụ thể sau:

1. Xây dựng mô hình hệ thống lắp ráp tự động có khả năng thực hiện thao tác lắp ghép thân và nắp hộp hình vuông kích thước 70W x 100H x 20D (mm) một cách chính xác và ổn định.
2. Đảm bảo thời gian chu kỳ (cycle time) vận hành đạt 2 phút/pcs (sản phẩm) và hiệu suất lắp ráp đạt 720 pcs/ngày.
3. Tích hợp chức năng hiển thị cảnh báo lỗi khi hệ thống gặp sự cố trong quá trình vận hành.
4. Đảm bảo tính ổn định của mô hình, hỗ trợ kiểm tra và bảo trì kỹ thuật thuận lợi.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định thành 3 nội dung chính:

• Nhiệm vụ 1: Thiết kế 3D và xây dựng phần cứng khung cơ khí cho hệ thống, bao gồm cánh tay robot 3 bậc tự do (3 DOF) tích hợp trục mở rộng tịnh tiến, robot 4 bậc tự do (4 DOF), cơ cấu truyền động trục vít me, cụm bắn vít và cơ cấu cấp vít tự động bằng khí nén.
• Nhiệm vụ 2: Lập trình hai bộ điều khiển PLC dòng Mitsubishi FX3U 48MT thực hiện chu trình điều khiển tuần tự, phát xung điều khiển động cơ servo, điều khiển quá trình lắp ráp, siết vít và thiết lập truyền thông Modbus RTU qua chuẩn RS-485 giữa hai PLC (Master - Slave).
• Nhiệm vụ 3: Thiết kế giao diện vận hành, điều khiển và giám sát toàn bộ hoạt động của hệ thống qua màn hình HMI Weintek MT6070ih kết nối cổng RS-232.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Quy trình công nghệ và hệ thống tự động hóa khâu cấp phôi, định vị, lắp ghép và siết vít nắp vào thân hộp.
• Phạm vi không gian: Nghiên cứu, thiết kế, gia công và thử nghiệm tại Bộ môn Tự động Điều khiển, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
• Phạm vi thời gian: Thực hiện từ ngày 13/01/2025 đến ngày 19/06/2025.
• Giới hạn kỹ thuật: Hệ thống chỉ tập trung lắp ráp trên một loại sản phẩm cố định gồm thân và nắp hộp kích thước 70W x 100H x 20D (mm), sử dụng vít M4 dài 20mm; cơ cấu bắn vít chưa tích hợp cảm biến kiểm tra và phản hồi độ siết về PLC; cơ cấu cấp vít chỉ cấp đơn lẻ từng vít tại mỗi vị trí và cần nạp thủ công sau mỗi chu kỳ thao tác.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng các nền tảng lý thuyết và công nghệ điều khiển tự động hóa công nghiệp sau:

• Khung lý thuyết và thiết bị tham khảo: Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý của máy bắt vít tự động Jofr 2Y-B2, nguyên lý vận hành của các dòng cánh tay robot công nghiệp trong dây chuyền sản xuất (như cánh tay robot Yaskawa và robot ABB trong các khâu xếp dỡ palletizing).
• Lý thuyết điều khiển vị trí bằng xung: Ứng dụng điều khiển vị trí số bằng chuỗi xung điện (pulse train) từ ngõ ra transistor của PLC đến driver động cơ servo. Tần số xung quyết định tốc độ di chuyển, số lượng xung xác định tọa độ vị trí đích, chiều quay được điều khiển thông qua hai phương thức: chế độ 1P (Step/Direction - một kênh xung bước kết hợp một kênh logic định hướng quay) và chế độ 2P (CW/CCW - chuỗi xung quay thuận hoặc nghịch riêng biệt).
• Phương pháp điều khiển tuần tự: Lập trình quá trình làm việc rời rạc theo các trạng thái kế thừa kế tiếp. Trạng thái điều khiển trong CPU PLC Mitsubishi FX3U được quản lý thông qua các bit nội bộ (M), rơ-le trạng thái (S), hoặc thanh ghi đếm bước (C, D).
• Lý thuyết bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi FX3U: Khảo sát cấu trúc phần cứng CPU gồm khối tính toán logic ALU, khối điều khiển Control Unit, con trỏ lệnh Program Counter, bộ quản lý định thời/bộ đếm Timer/Counter Manager, bus điều khiển I/O, bộ điều phối bộ nhớ Memory Controller và giao tiếp truyền thông. Chu kỳ quét (scan cycle) thực hiện theo 3 giai đoạn: quét ngõ vào (Input Scan), thực thi chương trình (Program Execution) và cập nhật ngõ ra (Output Refresh). Vùng nhớ dữ liệu gồm các thanh ghi ngõ vào/ra (X00–X27, Y00–Y27), bit trung gian (M0–M1535), thanh ghi số nguyên 16-bit (D0–D7999), rơ-le trạng thái (S0–S999), thanh ghi lưu giữ (R0–R511), rơ-le thời gian và bộ đếm (T0–T199, C0–C199), con trỏ địa chỉ gián tiếp (Z0–Z511) và biến cục bộ (L0–L127).
• Chuẩn giao tiếp RS-485 và giao thức Modbus RTU: Chuẩn truyền thông vật lý RS-485 theo tiêu chuẩn của EIA, sử dụng phương thức truyền tín hiệu vi sai trên cặp dây xoắn A và B ở chế độ bán song công (Half-Duplex), cự ly truyền dẫn lên đến 1,2 km và tốc độ truyền tối đa 10 Mbps. Giao thức Modbus RTU hoạt động theo mô hình Master-Slave; cấu trúc khung truyền UART gồm 1 bit start, 8 bit dữ liệu (truyền LSB trước), bit parity tùy chọn, 1 hoặc 2 bit stop; khoảng thời gian phân tách khung (silent interval) tối thiểu bằng 3,5 lần thời gian truyền một ký tự UART. Dữ liệu quản lý qua 4 nhóm: Coil, Discrete Input, Input Register và Holding Register, kiểm tra lỗi bằng thuật toán CRC Checksum.
• Hệ thống động cơ bước vòng kín Ezi-Servo: Sử dụng động cơ bước hai pha tích hợp bộ mã hóa quang học (encoder) độ phân giải 10.000 xung/vòng của hãng Fastech, bao gồm các dòng kích thước mặt bích 42mm và 56mm. Bộ điều khiển driver ứng dụng thuật toán điều khiển vector vòng kín (closed-loop), tự động điều chỉnh dòng điện theo tải để giảm nhiệt lượng và chống trượt bước.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và kỹ thuật:

• Thiết kế mô hình cơ khí 3D trên phần mềm Solidworks 2021.
• Gia công cơ khí chính xác, lắp ráp khung chịu lực, cụm trục vitme và đầu giác hút.
• Lắp đặt tủ điện, đấu nối mạch cấp nguồn, rơ-le trung gian, cáp tín hiệu điều khiển và cảm biến.
• Lập trình logic điều khiển trên PLC FX3U, thiết kế giao diện vận hành trên HMI Weintek và cấu hình thông số truyền thông nối tiếp.

Nguồn dữ liệu nghiên cứu:

• Tài liệu hướng dẫn sử dụng và thông số kỹ thuật (datasheet) của hãng Mitsubishi Electric (PLC FX3U 48MT), Fastech (động cơ Ezi-Servo, driver S-Servo II), Weintek (màn hình MT6070ih), Omron (cảm biến quang chữ U EE-SX670-WR) và các nhà sản xuất linh kiện phụ trợ.
• Số liệu đo đạc thực tế từ quá trình vận hành, chạy điểm (teaching point) và chạy thử nghiệm sản phẩm trên mô hình thực tế.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế và triển khai đồng bộ từ phần cứng cơ khí, mạch điện điều khiển đến cấu hình mạng truyền thông và phần mềm giao diện giám sát.

Kiến trúc phần cứng cơ khí và khí nén

Toàn bộ hệ thống cơ khí được thiết kế trên Solidworks 2021 trước khi đưa vào gia công chế tạo:

• Khung chịu lực và giá đỡ: Khung định hình chắc chắn, bố trí bàn thao tác lắp ráp, box gắn màn hình HMI Weintek MT6070ih và các cụm giá đỡ cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4.
• Cánh tay robot 3 DOF: Được gắn thêm trục mở rộng chuyển động tịnh tiến, sử dụng động cơ Ezi-Servo dẫn động qua cơ cấu vitme để tăng không gian làm việc. Đầu công tác (tool) được trang bị hệ thống giác hút chân không để hút giữ và gắp thân/nắp hộp từ băng tải cấp liệu.
• Cánh tay robot 4 DOF: Đảm nhiệm thao tác gắp linh kiện nắp hộp và định vị vào thân hộp đang gá đặt trên đồ gá của trục vít me.
• Cụm cơ cấu bắn vít: Bao gồm động cơ bắn vít chuyên dụng gắn trên trục tịnh tiến, chuyển động lên xuống nhờ hệ thống truyền động vitme để định vị chính xác vị trí lỗ ốc vít trên sản phẩm.
• Cụm cấp vít và khí nén: Sử dụng xi lanh khí nén tròn dạng MAL16X25 (đường kính piston 16mm, hành trình 25mm) kết hợp đường dẫn khí để đẩy vít M4 vào đầu kẹp của cụm bắn vít.

Kiến trúc mạch điện và hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển được phân bổ thành cấu trúc phân tán với 2 bộ điều khiển PLC nhằm tối ưu hóa số lượng cổng I/O và khả năng phát xung:

• PLC Master (Mitsubishi FX3U-48MT): Đóng vai trò làm bộ điều khiển trung tâm, tiếp nhận tín hiệu cảm biến chính, điều khiển chu trình tuần tự, phát xung điều khiển các trục chuyển động chính và giao tiếp với màn hình HMI qua cổng RS-232.
• PLC Slave (Mitsubishi FX3U-48MT): Đảm nhiệm việc tiếp nhận lệnh từ PLC Master qua mạng truyền thông Modbus RTU RS-485 để điều khiển các cơ cấu chấp hành thứ cấp, rơ-le trung gian và nhận phản hồi từ các cảm biến hành trình.
• Cảm biến phát hiện phôi và định vị: Cảm biến khoảng cách hồng ngoại E3F-DS30C4 (khoảng cách phát hiện 10–30 cm, ngõ ra NPN thường mở - NO) dùng để xác định sự hiện diện của thân và nắp hộp trên băng tải; cảm biến quang chữ U EE-SX670-WR ngõ ra NPN dùng để định vị điểm gốc (Home) và giới hạn hành trình các trục cơ khí.
• Hệ thống rơ-le và nguồn cấp: Sử dụng bộ nguồn 24VDC công nghiệp, các khối rơ-le trung gian cách ly giữa ngõ ra transistor của PLC với các tải van điện từ khí nén, động cơ DC 24V của băng chuyền và bơm chân không.

Thiết bị / Linh kiện	Mã hiệu / Quy cách	Chức năng trong hệ thống
Bộ điều khiển lập trình	Mitsubishi FX3U 48MT (Master & Slave)	Xử lý logic, phát xung điều khiển servo, truyền thông RS-485/RS-232
Màn hình hiển thị HMI	Weintek MT6070ih	Giao diện điều khiển thủ công/tự động, giám sát I/O và cảnh báo lỗi
Động cơ bước vòng kín	FASTECH Ezi-Servo (Size 42L, 56S, 60L)	Dẫn động các trục chuyển động robot và cơ cấu truyền động vít me
Driver điều khiển động cơ	Ezi-SERVO 42L/42XL, S-Servo II	Điều khiển xung/hướng vòng kín, tích hợp giao tiếp phản hồi encoder
Cảm biến vật cản	E3F-DS30C4 (10–30 cm, NPN-NO)	Phát hiện thân và nắp hộp trên băng chuyền cấp liệu
Cảm biến quang vị trí	EE-SX670-WR (Ngõ ra NPN)	Xác định vị trí gốc tọa độ và giới hạn hành trình các trục tịnh tiến
Xi lanh khí nén	MAL16X25 (Đường kính 16mm, hành trình 25mm)	Đẩy phôi ốc vít trong cơ cấu cấp vít tự động
Động cơ phụ trợ	Động cơ DC 24V	Truyền động kéo băng chuyền vận chuyển phôi hộp

Triển khai phần mềm và giao diện giám sát

• Cấu hình truyền thông: Thiết lập cổng COM Port trên PLC và HMI theo chuẩn Modbus RTU; khai báo các thanh ghi dữ liệu trao đổi giữa Master và Slave phục vụ việc đồng bộ hóa chu trình vận hành.
• Giao diện vận hành HMI: Xây dựng các trang màn hình chuyên biệt trên phần mềm của Weintek:
  • Màn hình giới thiệu: Hiển thị thông tin đề tài và đơn vị thực hiện.
  • Màn hình Manual: Cho phép người vận hành cưỡng bức chạy/dừng băng tải, điều khiển tiến/lùi trục vít me, điều khiển từng trục robot và kích hoạt đầu giác hút/bắn vít độc lập để kiểm tra cơ cấu.
  • Màn hình Auto: Cung cấp nút Start/Stop, hiển thị trạng thái vận hành của chu kỳ lắp ráp và bộ đếm tổng sản phẩm hoàn thành.
  • Màn hình giám sát I/O: Hiển thị trực quan trạng thái kích hoạt của tất cả các chân ngõ vào số (X) và ngõ ra số (Y) của hai PLC.
  • Màn hình cảnh báo (Alarm): Cảnh báo khi mất phôi trên băng tải, cảnh báo trạng thái dừng khẩn cấp (Emergency Stop) hoặc khi có sự cố cơ cấu chấp hành.

---

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày bối cảnh chung của việc ứng dụng công nghệ tự động hóa trong sản xuất công nghiệp tại Việt Nam, đặc biệt là nhu cầu giảm thiểu sức lao động thủ công trong khâu lắp ráp chi tiết hộp. Tác giả đặt ra 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, tập trung vào khả năng lắp ráp hoàn chỉnh hộp vuông kích thước 70W x 100H x 20D (mm) với thời gian chu kỳ 2 phút/pcs và công suất 720 pcs/ngày. Chương này cũng phân định rõ ràng 3 nhiệm vụ kỹ thuật và xác lập các giới hạn đề tài, bao gồm việc sử dụng ốc vít M4x20mm cố định, nạp vít thủ công theo từng chu kỳ và không tích hợp cảm biến đo lực siết tại đầu bắt vít.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 tổng hợp cơ sở lý thuyết chuyên sâu về các thiết bị và phương pháp điều khiển tự động. Về mặt ứng dụng công nghiệp, chương khảo sát máy bắt vít Jofr 2Y-B2 cùng các cánh tay robot Yaskawa và ABB. Về phương pháp điều khiển, tác giả phân tích cơ chế điều khiển vị trí bằng phát xung qua chế độ 1P (Step/Dir) và 2P (CW/CCW), đồng thời phân tích phương pháp điều khiển tuần tự trạng thái. Chương đi sâu vào cấu trúc phần cứng CPU của PLC FX3U, chu kỳ quét scan cycle và bảng phân bổ các vùng nhớ (chương trình 64k steps, dữ liệu X, Y, M, D, T, C, R, S, Z, L). Phần truyền thông phân tích nguyên lý truyền vi sai RS-485, giao thức Modbus RTU Master-Slave, cấu trúc khung UART và khoảng lặng 3,5 ký tự (với tốc độ 9600 bps, thời gian truyền 1 ký tự 10 bit là 1,04167 ms). Cuối chương trình bày cấu tạo và đặc tính động cơ Ezi-Servo 42, 56S, driver 42L/42XL của hãng Fastech cùng nguyên lý phản hồi encoder 10.000 xung/vòng để bù sai số theo giải thuật vector vòng kín.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Chương 3 trình bày chi tiết các bản vẽ thiết kế 3D cơ khí trên Solidworks 2021 và thiết kế hệ thống điện. Phần cơ khí đưa ra bản vẽ khung hệ thống, box HMI Weintek, cụm giá đỡ cảm biến E3F-DS30C4, trục vitme khay hộp, cánh tay robot 3 DOF với trục mở rộng tịnh tiến, cơ cấu bắn vít và cơ cấu cấp vít tự động bằng khí nén. Phần điện xây dựng sơ đồ khối chức năng, lựa chọn thiết bị chi tiết với bảng thông số của PLC FX3U-48MT, cảm biến E3F-DS30C4, EE-SX670-WR, xilanh MAL16X25, động cơ Ezi-Servo 42L. Chương cũng cung cấp sơ đồ kết nối chân I/O giữa PLC Master và Slave, mạch giao tiếp RS-485 giữa 2 PLC, mạch điều khiển ngõ ra qua rơ-le trung gian, cáp kết nối cổng RS-232 giữa PLC và HMI, bản vẽ thiết kế bố trí tủ điện và lưu đồ giải thuật điều khiển toàn hệ thống.

CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG

Chương 4 ghi lại các bước thi công thực tế phần cứng cơ khí, đấu nối phần điện và cấu hình thông số hệ thống. Về cơ khí, tác giả hoàn thiện việc gia công khung HMI, trục vitme và đầu công tác giác hút chân không. Về điện, hoàn tất việc đi dây bên trong tủ điện điều khiển, đấu nối các khối nguồn và cảm biến. Phần cấu hình thiết bị trình bày các bước cài đặt công tắc phần cứng trên driver Ezi-Servo, cài đặt các jack nối tín hiệu, thiết lập thông số COM Port trên HMI Weintek, cấu hình truyền thông Modbus RTU giữa PLC Master và PLC Slave. Đồng thời, chương trình bày chi tiết giao diện màn hình HMI gồm trang giới thiệu, trang điều khiển thủ công (băng tải, trục vitme, cánh tay robot), trang giám sát tín hiệu ngõ vào/ra và màn hình cảnh báo lỗi hệ thống.

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm sau khi hoàn thiện chế tạo và tích hợp hệ thống. Mô hình phần cứng hoàn chỉnh vận hành ổn định; robot 3 DOF gắp phôi từ băng tải chính xác nhờ đầu hút chân không; cơ cấu bắn vít và cấp vít khí nén hoạt động đồng bộ, hoàn thành thao tác siết vít M4 cố định thân và nắp hộp theo đúng quy cách. Tủ điện vận hành an toàn, tín hiệu điều khiển không bị nhiễu. Trên màn hình HMI, hệ thống hiển thị chính xác các trạng thái hoạt động: màn hình dừng hệ thống, màn hình trong quá trình lắp ráp, màn hình dừng khẩn cấp (E-Stop), màn hình cảnh báo khi băng tải thiếu phôi, màn hình giám sát I/O trực quan và hiển thị chính xác số lượng sản phẩm hoàn thành ở cả chế độ tự động lẫn thủ công.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương cuối cùng tổng kết mức độ hoàn thành so với các mục tiêu đề ra ban đầu của đồ án, khẳng định hệ thống đã đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật về thiết kế cơ điện tử, điều khiển phối hợp giữa hai PLC qua Modbus RTU và giám sát qua HMI. Đồng thời, tác giả chỉ ra các điểm còn tồn tại của mô hình thực nghiệm và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cấp hệ thống trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính đạt được

• Chế tạo và tích hợp thành công mô hình hệ thống lắp ráp tự động hoàn chỉnh, kết hợp hài hòa giữa cơ cấu cơ khí chính xác, hệ thống truyền động khí nén, động cơ bước vòng kín Ezi-Servo và tủ điện điều khiển công nghiệp.
• Thực hiện hoàn chỉnh quy trình lắp ráp sản phẩm: cánh tay robot gắp và định vị nắp vào thân hộp vuông kích thước 70W x 100H x 20D (mm), cụm bắn vít tự động thực hiện siết chặt vít ren M4x20mm để cố định sản phẩm.
• Đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra: thời gian chu kỳ vận hành (cycle time) đạt 2 phút/pcs, đáp ứng hiệu suất lắp ráp danh định 720 pcs/ngày.
• Thiết lập thành công mạng truyền thông phân tán Modbus RTU sử dụng tầng vật lý RS-485 kết nối 2 Board PLC Mitsubishi FX3U-48MT (Master và Slave), giúp tối ưu hóa khả năng điều khiển phát xung đa trục và phân tải xử lý I/O; kết nối giao tiếp cổng nối tiếp RS-232 giữa PLC Master và HMI Weintek MT6070ih hoạt động ổn định.
• Vận hành đầy đủ các chức năng cảnh báo an toàn: tự động phát hiện và cảnh báo khi băng tải hết phôi nhờ cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4, phản hồi tức thời nút dừng khẩn cấp E-Stop trên giao diện HMI và cho phép người dùng vận hành linh hoạt ở cả hai chế độ Auto và Manual.

Giải pháp và kiến nghị tác giả đề xuất

• Kiến nghị tích hợp cảm biến đo lực siết (torque sensor) chuyên dụng tại đầu tool bắn vít để đo lường mô-men xoắn thực tế và phản hồi về PLC, khắc phục tình trạng siết quá lực gây hỏng ren hoặc chưa đủ lực siết.
• Đề xuất nâng cấp cơ cấu cấp vít tự động bằng phễu rung (vibratory bowl feeder) hoặc ống cấp liên tục thay vì nạp thủ công đơn lẻ từng vít sau mỗi chu kỳ thao tác.
• Kiến nghị tích hợp hệ thống camera thị giác máy (machine vision) để tự động nhận dạng vị trí, kiểm tra khuyết tật phôi trên băng tải và mở rộng khả năng lắp ráp linh hoạt cho nhiều kích cỡ sản phẩm khác nhau.

Đóng góp của đề tài

• Xây dựng thành công một mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh từ khâu thiết kế cơ khí 3D (Solidworks 2021), chế tạo phần cứng, thi công tủ điện đến lập trình thuật toán điều khiển phối hợp giữa hai PLC công nghiệp.
• Cung cấp giải pháp kỹ thuật mở rộng ngõ vào/ra và phân bổ chức năng điều khiển vị trí phát xung thông qua mạng truyền thông công nghiệp Modbus RTU RS-485 giá thành thấp, không đòi hỏi các module mở rộng chuyên dụng phức tạp.
• Đóng góp tài liệu kỹ thuật chi tiết về cấu hình, lập trình và đấu nối thực tế giữa dòng động cơ Ezi-Servo Fastech, màn hình HMI Weintek và dòng PLC FX3U.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật

• Đầu bắn vít chưa có cơ chế kiểm tra lực siết: Chưa tích hợp bộ cảm biến lực mô-men xoắn và mạch phản hồi về bộ điều khiển PLC để định lượng chính xác độ chặt của mối ghép ren.
• Phạm vi đối tượng thao tác hẹp: Toàn bộ đồ gá và giải thuật chạy điểm (teaching point) của robot chỉ áp dụng duy nhất cho một quy cách sản phẩm (thân và nắp hộp vuông kích thước 70W x 100H x 20D mm, dùng vít M4x20mm).
• Mức độ tự động hóa của khâu cấp vít còn giới hạn: Cơ cấu cấp vít bằng khí nén chỉ cấp được một vít duy nhất tại mỗi vị trí; sau mỗi lần bắn vít xong, người vận hành phải bổ sung ốc vít mới vào cơ cấu theo phương pháp thủ công để thực hiện chu kỳ tiếp theo.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Nghiên cứu thiết kế và lắp đặt cảm biến mô-men xoắn tại đầu bắn vít kết hợp cơ cấu phản hồi tín hiệu về PLC nhằm tự động dừng khi đạt lực siết tiêu chuẩn.
• Chế tạo bộ cấp vít tự động liên tục sử dụng phễu rung (bowl feeder) để cấp liệu hoàn toàn tự động, loại bỏ công đoạn can thiệp thủ công của con người.
• Mở rộng thuật toán điều khiển và tích hợp camera xử lý ảnh công nghiệp nhằm nhận diện tọa độ linh kiện đa hình dạng, đa kích thước trên băng chuyền.

---

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng sau:

• Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử: Cung cấp quy trình hoàn chỉnh từ khâu lập mô hình 3D trên Solidworks, tính toán lựa chọn thiết bị cơ điện, thi công tủ điện đến lập trình chu trình điều khiển tuần tự trên PLC FX3U.
• Kỹ sư thiết kế hệ thống và người làm đề tài nghiên cứu tương tự: Cung cấp sơ đồ mạch điện đấu nối thực tế, giải pháp kết nối mạng truyền thông Modbus RTU qua chuẩn RS-485 giữa hai CPU PLC và kỹ thuật phát xung điều khiển dòng động cơ bước vòng kín Ezi-Servo.

Các phần đáng tham khảo nhất trong báo cáo:

• Chương 2 và Chương 3: Cơ sở lý thuyết và phương pháp đấu nối truyền thông Modbus RTU RS-485 giữa 2 PLC Mitsubishi FX3U; sơ đồ kết nối phần cứng giữa PLC với driver Ezi-Servo 42L/42XL và S-Servo II.
• Chương 3 và Chương 4: Bản vẽ thiết kế 3D chi tiết trục mở rộng tịnh tiến cho robot 3 DOF, cơ cấu bắn vít, cùng các bước cấu hình thông số phần cứng (driver) và phần mềm (HMI Weintek, COM Port Settings).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Sản phẩm mục tiêu được lắp ráp trong hệ thống có quy cách kỹ thuật cụ thể như thế nào?
Sản phẩm mục tiêu của hệ thống là hộp hình vuông bao gồm thân hộp và nắp hộp có kích thước 70W x 100H x 20D (mm). Sau khi robot định vị nắp vào thân hộp, hai chi tiết được cố định chặt với nhau bằng vít ren kích thước M4 có chiều dài 20mm.

2. Hệ thống sử dụng bộ điều khiển nào và cách thức kết nối truyền thông giữa các thiết bị ra sao?
Hệ thống sử dụng hai bộ điều khiển PLC dòng Mitsubishi FX3U-48MT (Board mạch tích hợp 6AD 2DA 485 RTC), trong đó một bộ đóng vai trò làm PLC Master và bộ còn lại làm PLC Slave. Hai PLC kết nối và truyền nhận dữ liệu I/O với nhau thông qua giao thức Modbus RTU trên nền tảng vật lý RS-485. Ngoài ra, PLC Master kết nối truyền thông với màn hình HMI Weintek MT6070ih thông qua cổng chuẩn nối tiếp RS-232.

3. Cơ chế điều khiển vị trí của các động cơ servo trong hệ thống được thực hiện bằng phương pháp nào?
Hệ thống sử dụng phương pháp điều khiển vị trí bằng xung từ PLC tới các driver Fastech (dòng Ezi-SERVO 42L/42XL và S-Servo II). PLC phát chuỗi xung điều khiển theo chế độ 1P (Step/Direction - xung bước xác định vị trí/tốc độ và mức logic xác định hướng quay). Động cơ bước tích hợp bộ mã hóa (encoder) độ phân giải 10.000 xung/vòng phản hồi tín hiệu về driver để thực hiện giải thuật bù sai số vòng kín (closed-loop vector control).

4. Mục tiêu về thời gian chu kỳ (cycle time) và công suất lắp ráp của hệ thống là bao nhiêu?
Theo công bố của nhóm tác giả, hệ thống được thiết kế nhằm đạt thời gian hoàn thành một chu kỳ lắp ráp sản phẩm (cycle time) là 2 phút/pcs, tương ứng với năng suất lắp ráp danh định đạt 720 pcs/ngày.

5. Cơ cấu bắn vít và cấp vít trong đồ án có những giới hạn kỹ thuật nào?
Cơ cấu bắn vít chưa được trang bị cảm biến kiểm tra lực siết và không có tín hiệu phản hồi mô-men siết về bộ điều khiển. Về phần cấp vít, hệ thống sử dụng xi lanh khí nén chỉ có khả năng cấp đơn lẻ một vít tại mỗi vị trí; sau khi bắn vít xong, người vận hành phải cấp bổ sung ốc vít mới theo cách thủ công trước khi chu kỳ tiếp theo diễn ra.

---

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và thi công hệ thống lắp ráp sản phẩm" của sinh viên Võ Văn Quyết và Nguyễn Quang Trung (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) đã hoàn thiện trọn vẹn mô hình thực nghiệm tự động hóa khâu lắp ráp thân và nắp hộp kích thước 70W x 100H x 20D (mm). Đề tài giải quyết hiệu quả bài toán tích hợp cơ điện tử thông qua việc phân tán tải xử lý giữa hai bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX3U qua mạng Modbus RTU RS-485, phát xung điều khiển hệ thống động cơ servo Fastech và giám sát qua HMI Weintek. Mặc dù vẫn còn giới hạn ở khâu cấp vít đơn lẻ và chưa đo lường lực siết tự động, mô hình đạt được chỉ tiêu chu kỳ 2 phút/pcs, mang lại giá trị thực tiễn cao cho đào tạo kỹ thuật và nghiên cứu ứng dụng dây chuyền lắp ráp tự động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Chương này trình bày cách tiếp cận với đề tài, tính thời sự của đề tài, ứng dụng của đề tài trong thức tế,đặt ra các mục tiêu đề tài hướng đến và giới hạn đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương này trình bày về lý thuyết liên quan đến PLC sử dụng trong đồ án, giao tiếp truyền thông Modbus RTU, tìm hiểu về động cơ DC Ezi Servo. Chương 3: Thiết kế hệ thống Chương này trình bày các yêu cầu thiết kế của hệ thống lắp ráp sản phẩm từ đó xây dựng bản vẽ 3D tổng quan thiết kế cơ khí của hệ thống, tiến hành lựa chọn thiết bị, sơ đồ nối các thiết bị điện, thiết kế phần mềm, lưu đồ điều khiển. Chương 4: Thi công hệ thống Chương này trình bày quá trình các bước thi công phần cứng cơ khí, thi công tủ điện, thao tác cấu hình driver cho động cơ DC Servo và thiết kế giao diện giám sát hệ thống.

Chương 5: Kết quả thực hiện Chương này trình bày kết quả đạt được về phần cứng lẫn phần mềm. Qua đó đánh giá chất lượng điều khiển và vận hành thực tế của hệ thống. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Chương cuối này trình bày các kết luận rút ra sau khi hoàn thành đề tài, nêu ra các hạn chế đề tài mắc phải cần khắc phục, cuối cùng đưa ra hướng phát triển của đề tài trong tương lai.4 Giới hạn đề tài Trong khuôn khổ đề tài nhóm sinh viên đưa ra phạm vi nội dung công việc mình làm: - Cơ cấu bắn vít không có tích hợp kiểm tra độ siết và phản hồi về bộ điều khiển. - Hệ thống chỉ tập trung lắp ráp trên một loại sản phẩm, với các chi tiết cố định là thân hộp và nắp hộp, được cố định bằng vít M4 dài 20mm.

- Hệ thống cấp vít chỉ có khả năng cấp một vít duy nhất tại mỗi vị trí. Sau mỗi lần bắn vít, vít mới sẽ được cấp thủ công để tiếp tục quy trình. 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng quan về hệ thống lắp ráp tự động 2.

Giới thiệu về hệ thống lắp ráp tự động Hệ thống lắp ráp tự động là một giải pháp công nghệ tiến bộ trong công nghiệp sản xuất, ứng dụng các thiết bị cơ khí, điện khí nén và các phần mềm điều khiển nhằm tự động hóa quá trình lắp ráp sản phẩm. Thay vì phải thực hiện các thao tác thủ công, hệ thống này tích hợp robot công nghiệp, băng chuyền, trục vitme, hệ thống truyền động servo và động cơ bước để thực hiện các công đoạn như lắp ráp, gắn kết, kiểm tra và vận chuyển sản phẩm một cách tự động và liên tục. Thành phần điều khiển thường bao gồm PLC (Bộ điều khiển logic khả trình), máy tính công nghiệp và các hệ thống SCADA để giám sát và điều khiển từ xa. Các cảm biến quang học, cảm biến tiệm cận và camera công nghiệp được tích hợp để đảm bảo độ chính xác trong việc định vị và kiểm tra sản phẩm.

Nhờ áp dụng tự động hóa, hệ thống lắp ráp tự động không chỉ giúp tăng năng suất lao động, đảm bảo độ chính xác cao, giảm thiểu sai sót do con người gây ra mà còn nâng cao mức độ an toàn trong quá trình sản xuất. Đồng thời, việc thu thập và phân tích dữ liệu trong quá trình vận hành giúp doanh nghiệp dễ dàng theo dõi, bảo trì và tối ưu hóa hiệu quả sản xuất. Với những ưu điểm vượt trội này, hệ thống lắp ráp tự động được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sản xuất ô tô, điện tử, thiết bị y tế và đóng gói thực phẩm, góp phần đáp ứng yêu cầu công nghiệp hiện đại và nâng cao năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp. Một số đề tài liên quan Một số đề tài liên quan đến đề tài nhóm chọn có thể được đề cập bao gồm: Máy bắt vít tự động Jofr 2Y-B2: Không như những loại máy cấp bắn vít thông thường, robot bắn vít tự động có cấu tạo đầy đủ các chi tiết, chức năng nhưng lại rất đơn giản, dễ sử dụng và có trọng lượng nhẹ.

Không những thế robot bắn vít còn được bọc một lớp cách điện để đảm bảo an toàn và còn có có tính thẩm mỹ cao.1 Máy bắt vít tự động Jofr 2Y-B2 [1] Cánh tay robot lắp ráp trong công nghệ lắp ráp: Công việc của cánh tay robot lắp ráp trong công nghệ lắp ráp là thực hiện các nhiệm vụ lắp ráp tự động và chính xác các bộ phận hoặc linh kiện của sản phẩm. Cánh tay robot thường được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại, nơi mà tốc độ, tính chính xác và tính lặp lại là những yếu tố quan trọng.2 Cánh tay robot Yaskawa trong công nghệ lắp ráp [2] 5 Cánh tay robot ABB được sử dụng tại đây là loại robot xếp dỡ (palletizing robot), có nhiệm vụ sắp xếp sản phẩm (như hộp carton) từ băng chuyền lên pallet một cách chính xác và nhanh chóng.3 Cánh tay robot ABB trong công nghiệp gắp sản phẩm [2] 2. Phương pháp điều khiển 2. Phương pháp điều khiển vị trí bằng xung Trong đề tài của nhóm có ứng dụng rất nhiều động cơ, hầu hết đều là động cơ DC Servo, để có thể điều khiển được servo trong các ứng dụng thì việc tìm hiểu đến phương pháp điều khiển vị trí là cần thiết.

Điều khiển vị trí là phương pháp điều khiển được sử dụng nhằm mục đích đưa cơ cấu chấp hành đến đúng một vị trí xác định trước. Có nhiều cách điều khiển vị trí tùy thuộc vào ứng dụng cũng như hướng giải quyết của người dùng áp dụng cho hệ thống. Dưới đây là một vài phương pháp điều khiển vị trí phổ biến: 6 Hình 2.4 Tín hiệu xung từ bộ điều khiển đến cơ cấu chấp hành [3] Điều khiển vị trí bằng xung là phương pháp phổ biến trong hệ thống điều khiển số, trong đó bộ điều khiển (thường là PLC) gửi một chuỗi các xung điện (pulse train) đến driver của động cơ bước hoặc servo motor. Số lượng và tần số xung sẽ xác định: - Vị trí đích (position target): dựa vào số lượng xung phát ra.

- Tốc độ di chuyển: phụ thuộc vào tần số phát xung (pulse frequency). - Chiều quay: được xác định thông qua tín hiệu DIR (direction) hoặc ngõ vào riêng biệt. Trong điều khiển vị trí bằng xung, có hai kiểu sơ đồ tín hiệu phổ biến thường được sử dụng giữa thiết bị điều khiển và bộ điều khiển động cơ (driver): chế độ 1P (Step/Direction) và chế độ 2P (CW/CCW). ❖ Chế độ 1P – Bước và Hướng (Step/Direction) sHình 2.5 Tín hiệu ở chế độ 1P cho chuyển động quay tiến và lùi [3] 7 Ở chế độ này, một tín hiệu chuyên dùng để tạo ra các xung bước (step pulse), trong khi tín hiệu còn lại được dùng để xác định hướng quay.

Tín hiệu hướng là tín hiệu duy trì mức logic ổn định (ON hoặc OFF) trong suốt quá trình phát xung. Khi tín hiệu hướng đang ở mức cao (logic 1), các xung bước được gửi tới driver sẽ khiến động cơ quay theo một chiều nhất định (thường là chiều kim đồng hồ). Nếu tín hiệu hướng ở mức thấp (logic 0), cùng một chuỗi xung được phát ra sẽ làm động cơ quay theo chiều ngược lại (ngược chiều kim đồng hồ).6 Tín hiệu ở chế độ 2P cho chuyển động quay tiến và lùi [3] Trong chế độ 2P, cả hai tín hiệu là một chuỗi xung. Chỉ có một đầu vào tại một thời điểm sẽ có tần số, vì vậy nếu có mạch xung CW, động cơ sẽ quay CW.

Nếu có mạch xung CCW, động cơ quay CCWs. Đầu vào nào nhận được chuỗi xung phụ thuộc vào hướng mong muốn.7 Nguyên lý điều khiển vị trí bằng xung động cơ servo [4] 8 2. Phương pháp điều khiển tuần tự Điều khiển tuần tự là phương pháp lập trình mà hệ thống hoạt động theo các bước (giai đoạn) xác định, mỗi bước chỉ diễn ra khi bước trước đó đã hoàn tất và một điều kiện kích hoạt được thỏa mãn (ví dụ: cảm biến đã báo, thời gian đã đủ. Đặc điểm của phương pháp điều khiển tuần tự - Tính rời rạc: quá trình điều khiển được chia thành các giai đoạn (step) riêng biệt, mỗi giai đoạn có điều kiện bắt đầu và kết thúc rõ ràng.

- Tính kế thừa: trạng thái hiện tại của hệ thống phụ thuộc vào trạng thái trước đó, tức là các bước điều khiển xảy ra theo một chuỗi có trật tự. - Tính quyết định: ở một thời điểm nhất định, hệ thống chỉ ở một bước (trạng thái) cụ thể duy nhất, điều này giúp dễ theo dõi và kiểm tra logic. - Khả năng mở rộng: dễ dàng bổ sung thêm các bước mới hoặc rẽ nhánh điều khiển bằng cách điều chỉnh điều kiện chuyển bước. Lập trình điều khiển tuần tự trong PLC FX3U - Dựa trên trạng thái: • Mỗi trạng thái được đại diện bởi một bit nhớ (M, S, R).

• Khi một trạng thái được kích hoạt, hệ thống thực hiện các tác vụ tương ứng. • Khi điều kiện của bước hiện tại thỏa mãn, PLC sẽ chuyển sang trạng thái kế tiếp. - Dựa trên bộ đếm bước: • Sử dụng một thanh ghi hoặc bộ đếm (C, D) làm bộ chỉ thị bước hiện tại. • Khi hoàn thành điều kiện tại bước n, giá trị thanh ghi tăng lên để chuyển sang bước n+1.3 Giới thiệu về PLC FX3U MITSUBISHI 2.

Giới thiệu chung về PLC Bộ điều khiển lập trình (PLC) là một thiết bị điện tử được thiết kế để điều khiển tự động các quá trình trong công nghiệp. Thay vì dùng các mạch rơ-le phức tạp, PLC cho phép người dùng lập trình các tác vụ điều khiển bằng phần mềm, giúp hệ thống trở nên linh hoạt và dễ điều chỉnh khi cần thay đổi hoạt động sản xuất. Về cấu tạo, PLC bao gồm một bộ vi xử lý trung tâm, bộ nhớ lưu chương trình, các cổng vào/ra để kết nối với cảm biến và thiết bị chấp hành, cùng các cổng giao tiếp để liên kết với thiết bị khác. Quá trình làm việc của PLC lặp đi lặp lại theo chu kỳ: ghi nhận tín hiệu vào, xử lý theo chương trình đã nạp, và điều khiển đầu ra tương ứng.

Tại Việt Nam, nhiều hãng PLC nổi tiếng đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực tự động hóa công nghiệp. Một số thương hiệu phổ biến có thể kể đến như Mitsubishi (Nhật Bản) với dòng FX3U và FX5U được ưa chuộng nhờ độ bền cao và lập trình dễ dàng và Siemens (Đức) với các dòng S7-200 và S7-1200 mạnh về khả năng mở rộng và kết nối mạng.8 Thành phần cơ bản trong một PLC [5] 10 2. Những đặc điểm của FX3U 48MT - Ưu điểm: • Dòng FX3U có tốc độ xử lý lệnh nhanh (~0.