Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Tại tỉnh Hưng Yên, việc canh tác các loại cây ăn quả đặc sản như nhãn lồng, ổi Văn Giang, cam Vinh, bưởi Diễn, hồng xiêm đóng vai trò chủ lực trong kinh tế nông nghiệp địa phương. Giá trị bình quân trên một héc-ta canh tác cây ăn quả tại địa phương đạt trên 300 triệu đồng/héc-ta. Tuy nhiên, quá trình sinh trưởng của cây ăn quả chịu tác động lớn từ điều kiện tự nhiên và sâu bệnh:

  • Tác động thời tiết: Cường độ ánh sáng quá cao gây tổn thương nhiệt và cạn kiệt nước; mưa bão làm ngập úng đất, hạn chế oxy của rễ, tạo điều kiện cho các loại nấm bệnh như Fusarium, Phytophthora tấn công; nhiệt độ giá rét làm đông đặc chất nguyên sinh và vỡ tế bào thực vật.
  • Tác động sinh học: Sự phá hoại của các loài côn trùng phổ biến gồm nhện đỏ (hút nhựa làm biến màu lá), sâu bướm (ấu trùng đục lỗ ăn quả) và ruồi vàng (chích hút, đẻ trứng phát triển thành dòi ăn ruột quả).

Biện pháp bảo vệ hiệu quả là sử dụng túi bọc trái cây gồm ba thành phần: túi lưới xốp bên trong chống va đập, túi nilon bên ngoài chống thấm nước và ngăn côn trùng, cùng vòng nịt co giãn để cố định miệng túi. Mặc dù nhu cầu sử dụng rất lớn, công đoạn lồng túi xốp vào túi nilon và buộc vòng nịt tại các nhà vườn hiện vẫn thực hiện hoàn toàn thủ công. Quá trình này tốn nhiều nhân công, năng suất thấp và giá thành túi thành phẩm bị đẩy lên cao. Nhận thấy thị trường chưa có máy lồng túi chuyên dụng, đề tài tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy tự động hóa quy trình này.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể gồm:

  1. Thiết kế, gia công chế tạo hoàn chỉnh phần cơ khí của các cơ cấu máy; lựa chọn đúng và đủ các phần tử chấp hành, thiết bị điều khiển cho hệ thống.
  2. Lắp đặt các phần tử điều khiển, cảm biến và cơ cấu chấp hành điện - khí nén vào từng cụm chức năng của máy.
  3. Lập trình điều khiển toàn bộ hệ thống; khảo sát thực nghiệm hoạt động của từng cơ cấu và toàn bộ máy để đưa vào ứng dụng thực tế.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống máy tự động tích hợp cơ cấu cơ khí, thiết bị điện – khí nén và bộ điều khiển lập trình PLC. Phạm vi ứng dụng của đề tài hướng trực tiếp đến các nhà vườn, trang trại và hộ gia đình trồng cây ăn quả quy mô vừa và nhỏ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng hệ thống cơ sở lý thuyết và kỹ thuật chuyên ngành Điều khiển và Tự động hóa:

  • Lý thuyết khí nén và cơ cấu chấp hành: Nguyên lý truyền động của xi-lanh khí nén tác động đơn, xi-lanh tác động kép, van điện từ đảo chiều $5/2$ và giác hút chân không (vacuum ejector/suction pad).
  • Lý thuyết điều khiển tự động: Ứng dụng bộ điều khiển logic lập trình được (PLC - Programmable Logic Controller) với phương pháp đấu nối ngõ vào số kiểu Sink/Source, điều khiển động cơ bước qua phát xung tốc độ cao và cấu trúc chương trình điều khiển tuần tự.
  • Phương pháp nghiên cứu:
    1. Nghiên cứu tài liệu: Tổng hợp tài liệu khoa học, quy trình canh tác nông nghiệp, catalogue kỹ thuật của các nhà sản xuất thiết bị tự động hóa (Mitsubishi, Airtac, SMC, Omron, Fotek, Chint).
    2. Thực nghiệm và đo lường: Chế tạo mẫu thử, đo đạc thông số hành trình, áp suất khí nén, dòng điện, điện áp và kiểm tra tín hiệu cảm biến trong quá trình máy vận hành.
    3. Phân tích và đánh giá: Thống kê tỷ lệ thực hiện thành công của từng cụm cơ cấu chức năng qua nhiều chu kỳ làm việc liên tục nhằm hiệu chỉnh tối ưu phần cứng và thuật toán.
  • Nguồn dữ liệu: Số liệu thống kê nông sản của Bộ Công Thương, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn; thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của các linh kiện cơ khí, điện, khí nén công nghiệp.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống máy tự động lồng túi xốp bọc trái cây được thiết kế theo cấu trúc liên hoàn gồm ba khối chức năng chính: Cơ khí, Khí nén và Điện - Điều khiển.

Khối chức năng Phần tử / Cụm cơ cấu Thông số kỹ thuật & Vật liệu chế tạo
Khung máy Bàn đỡ hệ thống & Khung chính Sắt hộp mạ kẽm $40 \times 40\text{ mm}$ và $30 \times 30\text{ mm}$ (dày $1{,}3\text{ mm}$); mặt bàn gỗ MDF chống ẩm sơn trắng ($1000 \times 700 \times 550\text{ mm}$); mặt sàn làm việc bằng tấm mica và nhựa PVC.
Cơ cấu cấp phôi Nâng túi nilon, Cấp xốp, Cấp vòng nịt Động cơ bước 17HS8401 kèm trục vitme gá khay nhôm ($210 \times 155\text{ mm}$); trụ chứa xốp ($160 \times 65 \times 400\text{ mm}$); mâm xoay cấp nịt gắn motor và máng trượt inox $135\text{ mm}$ có động cơ rung.
Cơ cấu thao tác túi Lấy túi, Mở miệng túi, Dồn túi, Thu túi Xi-lanh dẫn hướng con trượt SCS 12UU (ray $\phi 12\text{ mm}$, dài $506\text{ mm}$); cụm giác hút chân không DL60-1211B kèm van tạo chân không CV-25HS; xi-lanh dồn túi MAL $20 \times 300\text{ mm}$ kết hợp ống nhựa PVC $\phi 27\text{ mm}$; tay kẹp mica răng cưa ($40 \times 13\text{ mm}$) gắn xi-lanh kẹp MHY2-10D và xi-lanh trượt hành trình $400\text{ mm}$.
Cơ cấu xử lý nịt Gắp nịt, Mở rộng nịt, Gạt nịt Ba xi-lanh tịnh tiến (TN10x80S, HFK10...); 4 tay mở chữ L ($70 \times 22\text{ mm}$) mở nịt đạt kích thước $60 \times 60\text{ mm}$; khung gạt nịt nhôm ($125 \times 110\text{ mm}$) gắn 4 thanh gạt ($25 \times 11\text{ mm}$).
Khí nén & Chấp hành Xi-lanh khí nén, Van điện từ Các dòng xi-lanh tác động kép (MXH6-50Z, MA16x150, MAL 16x150, MAL 20x300, CY1L15H-300B, MXQ12L-100AS...); cụm van điện từ $5/2$ của hãng FTEC.
Điện & Điều khiển Bộ điều khiển trung tâm, Cảm biến, Bảo vệ PLC Mitsubishi FX1N-60MT; Rơ-le trung gian IOLINK R4T-16P-S, Omron LY2N; Cảm biến sợi quang Omron E3X-HD11, cảm biến từ tiệm cận Airtac CS1-J/CS1-U/D-M9N, cảm biến tiệm cận kim loại Fotek PM12-04N; Khối nguồn 24VDC 5A; Aptomat Chint NXB-C10 2P.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về quá trình chăm sóc và bảo vệ trái cây

Chương 1 phân tích bức tranh kinh tế của ngành rau quả Việt Nam (kim ngạch 5 tháng đầu năm 2023 đạt 1,2 tỷ USD sang Trung Quốc; 6 tháng đầu năm đạt 2,7 tỷ USD). Tác giả làm rõ vòng đời phát triển của các cây ăn quả tiêu biểu (cam sống 50–75 năm; táo cao 3–12 m ra quả sau 1,5–2 năm; lê đạt sản lượng toàn cầu 15–16 triệu tấn/năm). Các tác nhân tự nhiên và dịch hại được tổng hợp chi tiết, từ đó chứng minh vai trò của túi bọc trái cây 3 thành phần. Đồng thời, chương này khảo sát các giải pháp công nghệ hiện hữu như kỹ thuật đẩy vật liệu tự động vào túi nilon và công nghệ kẹp giữ tự động trong công nghiệp đóng gói.

Chương 2: Thiết kế, chế tạo các phần tử cấu trúc máy tự động lồng túi xốp bọc trái cây

Chương này tập trung toàn bộ công tác tính toán cơ học, lựa chọn vật liệu và thiết kế kỹ thuật cho 10 cụm cơ cấu:

  1. Khung đỡ chính: Kích thước mặt bàn $500 \times 170 \times 3\text{ mm}$, nâng cao bằng 4 chân sắt $165\text{ mm}$ và 4 trụ đỡ trên cao $218\text{ mm}$.
  2. Cơ cấu lấy túi: Sử dụng xi-lanh hành trình $50\text{ mm}$ gắn 2 giác hút kết hợp xi-lanh trượt $250\text{ mm}$ trên 2 thanh ray tròn $\phi 12\text{ mm}$ dài $506\text{ mm}$.
  3. Cơ cấu mở miệng túi: Đế đỡ $46 \times 80\text{ mm}$ mang 2 giác hút phía trên kết hợp 2 giác hút cố định dưới mặt sàn để tách 2 mép túi nilon.
  4. Cơ cấu đẩy xốp: Xi-lanh đôi hành trình $160\text{ mm}$ gắn đầu đẩy mica $155 \times 60 \times 10\text{ mm}$, đẩy từng ống xốp từ hộp chứa $160 \times 65 \times 400\text{ mm}$ (dung lượng ~40 xốp) vào lòng túi.
  5. Cơ cấu dồn miệng túi: Xi-lanh MAL $20 \times 300$ (hành trình $300\text{ mm}$, chiều dài tổng thể $490\text{ mm}$) ép túi vào cặp bán nguyệt ống nhựa PVC $\phi 27\text{ mm}$ dài $110\text{ mm}$.
  6. Cơ cấu cấp nịt: Hộp đựng nịt hình trụ đường kính $230\text{ mm}$, cao $86\text{ mm}$ chứa ~300 vòng nịt, mâm xoay gạt nịt qua khe định hướng xuống máng trượt inox $135\text{ mm}$ có động cơ rung.
  7. Cơ cấu gắp vòng nịt: Hệ 3 trục xi-lanh tịnh tiến dẫn động tay kẹp mica di chuyển trên thanh đỡ dài $500\text{ mm}$.
  8. Cơ cấu mở và gạt nịt: 4 tay kẹp chữ L $70 \times 22\text{ mm}$ kéo dãn nịt thành hình vuông $60 \times 60\text{ mm}$, khung gạt nhôm $125 \times 110\text{ mm}$ gạt nịt ôm sát miệng túi đã dồn.
  9. Cơ cấu thu túi thành phẩm: Tay kẹp mica răng cưa $40 \times 13\text{ mm}$ gắn xi-lanh kẹp MHY2-10D di chuyển trên xi-lanh trượt $400\text{ mm}$.
  10. Cơ cấu nâng túi nilon: Động cơ bước 17HS8401 truyền động trục vitme nâng bàn nhôm $210 \times 155\text{ mm}$ chứa ~100 túi nilon.

Bên cạnh đó, chương 2 hoàn thiện tính chọn các thiết bị khí nén, thông số rơ-le trung gian, khối nguồn 24VDC 5A, aptomat CHINT NXB-C10 và bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi FX1N-60MT.

Chương 3: Lắp ráp, lập trình điều khiển và khảo sát sự làm việc của máy

Chương 3 trình bày sơ đồ đấu nối phần cứng PLC (định kiểu ngõ vào Sink/Source, kết nối rơ-le ngõ ra điều khiển cuộn hút van điện từ), sơ đồ bố trí tủ điện và lưu đồ thuật toán điều khiển tuần tự cho từng khâu công nghệ. Tác giả tiến hành lắp ráp mô hình hoàn chỉnh và thực hiện đo kiểm, khảo sát thực nghiệm thông số vận hành qua từng khâu: khâu lấy túi, khâu mở miệng túi, khâu đẩy xốp, khâu dồn túi, khâu cấp nịt, khâu gắp nịt, khâu mở nịt và chạy thử nghiệm đồng bộ toàn hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo thành công mô hình máy tự động lồng túi xốp bọc trái cây hoạt động ổn định và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu công nghệ đặt ra. Kết quả khảo sát thực nghiệm trên từng cơ cấu chấp hành được ghi nhận cụ thể:

Khâu khảo sát trong chu trình Cơ cấu chấp hành chính Kết quả vận hành thực tế
Lấy và đưa túi nilon Giác hút DL60-1211B + Xi-lanh ray trượt $\phi 12\text{ mm}$ Hút dính chính xác 1 túi nilon, di chuyển tịnh tiến êm ái tới vị trí mở miệng.
Mở miệng túi nilon Cặp 4 giác hút trên/dưới + Xi-lanh hành trình $50\text{ mm}$ Tách hoàn toàn 2 mép túi nilon, tạo độ mở miệng túi đủ rộng cho xốp đi vào.
Đẩy xốp vào lòng túi Xi-lanh đẩy hành trình $160\text{ mm}$ + Tấm đẩy mica Đưa gọn ống xốp kích thước $145 \times 55\text{ mm}$ vào đáy túi nilon đã mở miệng.
Dồn miệng túi Xi-lanh MAL $20 \times 300\text{ mm}$ + Ống PVC $\phi 27\text{ mm}$ Gom toàn bộ phần nilon thừa phía miệng túi về một dải nhỏ không làm rách túi.
Cấp và dàn đều nịt Mâm xoay + Máng rung inox $135\text{ mm}$ Chống chồng chéo, cấp từng vòng nịt đơn lẻ tới vị trí chờ gắp.
Gắp và chuyển nịt Cụm 3 xi-lanh + Tay kẹp mica Kẹp chặt vòng nịt, đưa chính xác vào tâm của 4 tay mở nịt.
Mở rộng và gạt nịt 4 tay mở chữ L + Khung gạt nhôm $125 \times 110\text{ mm}$ Mở căng nịt đạt tiết diện $60 \times 60\text{ mm}$ và đẩy nịt ôm chặt miệng túi nilon.
Thu hồi sản phẩm Kẹp mica răng cưa + Xi-lanh trượt $400\text{ mm}$ Kẹp chặt thành phẩm túi đã lồng xốp và buộc nịt, thả ra thùng chứa.

Đóng góp của đề tài thể hiện ở việc đưa ra một giải pháp tự động hóa cụ thể cho bài toán lồng túi bọc trái cây vốn chưa có thiết bị chuyên dụng trên thị trường. Mô hình tích hợp đồng bộ giữa cơ cấu cơ khí gọn nhẹ, hệ thống truyền động điện - khí nén thông dụng và chương trình điều khiển PLC linh hoạt, mở ra khả năng thương mại hóa thiết bị phục vụ nông nghiệp với chi phí đầu tư hợp lý.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Dung lượng chứa phôi nilon (khoảng 100 túi) và ống xốp (khoảng 40 xốp) còn hạn chế, đòi hỏi người vận hành phải tiếp liệu thường xuyên; cụm cấp nịt tự động bằng mâm xoay và máng rung đôi khi chịu ảnh hưởng bởi độ ma sát và độ biến dạng của dây chun cao su.
  • Hướng phát triển:
    1. Tối ưu hóa khay cấp phôi nilon và trụ chứa xốp với sức chứa lớn hơn để kéo dài chu kỳ hoạt động độc lập của máy.
    2. Nâng cấp cơ cấu cấp và định hướng vòng nịt nhằm triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng kẹt nịt trong máng rung.
    3. Mở rộng khả năng điều chỉnh kích thước linh hoạt của các cơ cấu kẹp, dồn túi để có thể gia công nhiều loại kích cỡ túi bọc cho các loại quả khác nhau (từ quả nhỏ như táo, lê đến quả lớn như bưởi, dưa).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thực tiễn cao đối với:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Chế tạo máy: Cung cấp phương pháp tính chọn thiết bị điện - khí nén, cách thức bố trí mạch lực - mạch điều khiển PLC, thiết kế sơ đồ khí nén và giải thuật điều khiển tuần tự.
  • Kỹ sư thiết kế máy công nghiệp: Tham khảo các giải pháp cơ cấu cơ khí tịnh tiến, giác hút chân không thao tác với vật liệu màng mỏng (nilon, bao bì) và cơ cấu mở rộng vòng nịt đàn hồi.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển trung tâm và các loại cảm biến chính được sử dụng trong máy là gì?
Máy sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi FX1N-60MT. Các cảm biến thu thập tín hiệu bao gồm: cảm biến sợi quang Omron E3X-HD11, cảm biến tiệm cận kim loại Fotek PM12-04N, cùng các cảm biến từ gắn trên thân xi-lanh khí nén gồm Airtac CS1-J, CS1-U và D-M9N.

2. Kích thước phôi xốp và dung lượng chứa của hộp đựng xốp là bao nhiêu?
Phôi xốp có kích thước tiêu chuẩn $145 \times 55\text{ mm}$. Hộp chứa xốp có kích thước $160 \times 65 \times 400\text{ mm}$, có khả năng chứa khoảng 40 ống xốp cho mỗi lần nạp phôi.

3. Cơ cấu cấp nịt và mở nịt hoạt động theo nguyên lý nào?
Nịt được đổ vào hộp chứa kích thước rộng $230\text{ mm}$, cao $86\text{ mm}$ (chứa ~300 vòng). Mâm xoay gắn motor di chuyển nịt qua các thành ngăn chống chồng chéo, sau đó rơi xuống máng trượt inox $135\text{ mm}$ có gắn động cơ rung để dàn đều nịt tới vị trí gắp. Sau khi tay kẹp chuyển nịt đến vị trí buộc, 4 tay mở kim loại hình chữ L ($70 \times 22\text{ mm}$) chuyển động đối xứng sẽ kéo dãn nịt đạt kích thước hình vuông $60 \times 60\text{ mm}$.

4. Kích thước khung máy và vật liệu mặt bàn làm việc được chế tạo như thế nào?
Bàn đỡ toàn hệ thống có kích thước $1000 \times 700 \times 550\text{ mm}$ bằng khung sắt hộp mạ kẽm $40 \times 40\text{ mm}$, mặt bàn dùng gỗ MDF chống ẩm sơn trắng. Khung máy chính bên trên có kích thước mặt bàn $500 \times 170 \times 3\text{ mm}$ bằng sắt hộp $30 \times 30\text{ mm}$ (dày $1{,}3\text{ mm}$), mặt sàn làm việc dùng mica và nhựa PVC.

5. Cơ cấu nâng túi nilon sử dụng loại động cơ nào để điều khiển?
Cơ cấu nâng túi nilon sử dụng động cơ bước mã hiệu 17HS8401 liên kết với trục vitme để nâng khay chứa nhôm kích thước $210 \times 155\text{ mm}$, có khả năng chứa khoảng 100 túi nilon cho mỗi lần cấp.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo cơ cấu cấp và lấy túi nilon, ứng dụng trong máy lồng túi xốp bọc trái cây" của sinh viên Lương Huy Hoàng đã giải quyết trọn vẹn bài toán cơ giới hóa khâu lồng túi bảo vệ nông sản. Tác giả đã hoàn thiện tính toán kết cấu cơ khí 10 khâu công nghệ, thiết kế hệ thống điện - khí nén đồng bộ và lập trình điều khiển ổn định qua PLC Mitsubishi FX1N-60MT. Kết quả thực nghiệm khẳng định tính khả thi của mô hình máy trong việc nâng cao năng suất đóng gói túi bọc trái cây phục vụ sản xuất nông nghiệp.