1.Giới thiệu 

Công ty cổ phần Viện Máy và dụng cụ công nghiệp (viện IMI) là doanh nghiệp Khoa học công nghệ trực thuộc Bộ Công Thương. Được thành lập vào ngày 23/05/1973. Lĩnh vực hoạt động chính: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và cung cấp các sản phẩm Cơ-Điện tử phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp.

Tiếp cận công nghệ 4.0, Viện IMI đã tiến hành nhiều các nghiên cứu trong các lĩnh vực khác nhau. Một số hướng nghiên cứu chính : Nghiên cứu, phân tích, đánh giá về những công nghệ nền tảng của ngành logistics trong quá trình phát triển, tham gia cách mạng công nghiệp 4.0; Nghiên cứu đổi mới công nghệ trong các nhà máy công nghiệp theo hướng sử dụng robot và tự động hóa đồng bộ dây chuyền.

Một trong những kết quả đạt được trong năm qua, Viện IMI đã nghiên cứu và chế tạo thành công dây chuyền đóng bao tự động hoàn toàn phục vụ cho sản xuất phân bón tại công ty Cổ phần supe phốt phát và hóa chất Lâm thao. Sản phẩm tiếp cận cuộc cách mạng công nghệ 4.0 mang lại hiệu quả cao trong sản xuất công nghiệp. Hệ thống đóng bao sử dụng công nghệ robotics và tự động hóa tiến tiến.  

Hệ thống đóng bao là khâu cuối trong dây chuyền sản xuất vật liệu hàng rời được ứng dụng phổ biến trong các nhà máy sản xuất vật liệu rời như : xi măng, phân bón, gạo, ngũ cốc,... Yêu cầu quan trọng nhất của hệ thống đóng bao là đảm bảo độ chính xác trong giao dịch thương mại, mỹ quan công nghiệp, năng suất, giải phóng sức lao động phổ thông và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Trong lĩnh vực sản xuất phân bón: NPK, phân lân nung chảy,...hệ thống đóng bao thường dùng là hệ thống đóng bao hở và chưa được tự động hóa và bốc xếp tự động. Độ chính xác của sản phẩm được đóng bao không cao, khâu bao bằng tay phụ thuộc vào tay nghề người công nhân nên mỹ quan công nghiệp của sản phẩm chưa đồng đều; Lượng bụi phát tán tại vị trí kẹp bao, gấp bao phát sinh lớn ra môi trường làm ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người lao động.

Hệ thống đóng bao tự động nhập ngoại chủ yếu được trang bị cho các doanh nghiệp đầu tư nước ngoài, ứng dụng rộng rãi cho nhiều loại vật liệu khác nhau. Tuy nhiên giá thành rất cao, khoảng 10 -15 tỷ cho 01 hệ thống. 

Nắm bắt xu thế cấp thiết về đổi mới công nghệ, Viện IMI tổ chức nghiên cứu và phối hợp với công ty Supe phốt phát và hóa chất Lâm thao thực hiện nhiệm vụ: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo  hệ thống máy đóng bao NPK tự động hoàn toàn năng suất 800-1000 bao/giờ bốc xếp bằng robot” 

2.Thiết kế kỹ thuật của hệ thống đóng bao tự động hoàn toàn.

2.1 Hiện trạng phổ biến của các hệ thống đóng bao hiện nay.

Hình  1. Hệ thống cân đóng bao đơn giản

Dây chuyền sản xuất chủ yếu sử dụng nhân công lao động ở tất cả các khâu, từ : cấp vỏ bao, khâu bao, bốc xếp lên phương tiện vận chuyển,…

2.2.Hệ thống cân đóng bao tự động hoàn toàn 

2.2.1 Nguyên lý của hệ thống đóng bao:

Hệ thống cân đóng bao miệng hở tự động được chia thành 4 công đoạn nối tiếp nhau: Cấp vỏ bao tự động; cân định lượng; gấp mép và khâu bao; gắp bao lên pallet bằng robot. 

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống

2.2.2 Thiết kế kỹ thuật các công đoạn trong hệ thống. 

a. Công đoạn cấp vỏ bao tự động.

Vỏ bao được hút theo nguyên lý hút chân không để cấp từng vỏ bao loại 25kg và 50kg bao tráng PP (1 lớp), các cặp cốc hút từ hai phía để mở miệng bao, sử dụng thiết bị banh miệng bao đưa đến vị trí kẹp bao. Toàn bộ chu trình trên đều được điều khiển tự động không có sự can thiệp của công nhân. Thực chất đây là hệ thống robot cấp bao tự động.

Hình 3.  Công đoạn cấp vỏ bao tự động

Các bước thực hiện:

Bước 1: bao được nhấc lên bởi cốc hút

Bước 2: dẫn hướng bao 

Bước 3: hút hai phía mở miệng bao

Bước 4: đưa bao vào miệng xả

Bước 9: bao được giữ bởi miệng kẹp

Việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế hệ thống cốc hút, lực hút và công suất của bơm chân không sao cho phù hợp với loại vỏ bao phải đảm bảo yêu cầu không bị dính bao, lực hút phải đủ mở được miệng vỏ bao, cơ cấu banh miệng bao không làm rách miệng bao.

b. Công đoạn cân định lượng.

Các hệ thống máy đóng bao hiện tại của các dây chuyền đóng bao hiện nay đang sử dụng thì cân định lượng kiểu thô tinh đóng mở cửa bằng xi lanh khí nén. Nhược điểm là năng suất chỉ đạt tối đa (12 bao/phút), độ chính xác cân bị ảnh hưởng do lưu lượng và áp suất khí không đều. Kết cấu cơ khí phải có 02 cửa thô và tinh để điều khiển đóng cắt.

Để khắc phục, Viện IMI đề xuất nghiên cứu một hệ thống cân định lượng tốc độ cao đảm bảo độ chính xác cao và năng suất theo yêu cầu   bằng cách sử dụng động cơ sevo để điều khiển đóng mở cửa cân.

Hình 4. Công đoạn cân định lượng

Ưu điểm của phương án này là không phải chế tạo 02 van cửa thô tinh vì động cơ servo có thể điều khiển dừng vô cấp tại nhiều vị trí khác nhau liên tục tạo sự linh hoạt trong quá trình cân dẫn đến đảm bảo độ chính xác cân. Có thể đáp ứng với các mức liệu và độ ẩm khác nhau trên phễu chứa mà vẫn đảm bảo độ chính xác cân.

Bộ điều khiển có chức năng điều khiển vô cấp, chuyển đổi A/D tốc độ cao, hiển thị cân 03 số sau dẩu phảy, vật liệu chế tạo sử dụng thép SUS 304 để giảm sự ăn mòn hóa chất.

c. Công đoạn gấp mép và khâu bao tự động

Hệ thống tự động đưa bao đã chứa sản phẩm từ vị trí kẹp bao đưa đến máy gấp miệng bao, dẫn hướng đến máy khâu bao. Hệ thống được bố trí thiết bị cảm biến khi có bao để máy khâu tự động gấp bao, tự động khâu, tự động cắt chỉ khi bao ra khỏi máy khâu. Máy khâu bao tích hợp cảm biến khi chỉ khâu bị đứt và thông báo cho công nhân vận hành bằng tín hiệu

Hình 5. Công đoạn gấp mép và khâu bao 

Các bước thực hiện:

Bước 6: Gập miệng bao

Bước 7: Khâu bao 

Bước 8. Băng tải dẫn hướng và khâu bao 

d. Công đoạn gắp bao tự động xếp lên pallet bằng robot

Sản phẩm được bốc xếp trên các pallet theo yêu cầu lưu, xếp kho của đơn vị sản xuất. Sử dụng tay máy robot xếp bao chuyển động 4 trục. Phạm vi hoạt động 330 độ; năng suất 1800 bao/h.

Hình 6. Robot xếp palllet 

3. Kết quả  

Dự án đã hoàn thành và đưa vào hoạt động bước đầu mang lại hiệu quả cao cho đơn vị ứng dụng. 

Hình 7. Dây chuyền đóng bao tự động 

Kết quả : Hệ thống cân đóng bao tự động hoàn toàn, với các đặc tính kỹ thuật chính: 

Loại vật liệu đóng bao: Phân NPK 

Năng suất hệ thống : 800-1000 bao/h cho loại bao 25kg

Hệ thống được ứng dụng cho dây chuyền sản xuất NPK chất lượng cao, năng suất 150.000 tấn/năm tại công ty cổ phần Supe phốt phát và hóa chất Lâm thao.

4. Kết luận 

Ứng dụng công nghệ robot và tự động hóa trong đổi mới công nghệ đóng bao hàng rời nói riêng và trong công nghiệp nói chung mang lại hiệu quả to lớn, thể hiện :

- Giải phóng sức lao động, tăng năng suất, nâng cao chất lượng sản phẩm. 

- Giảm thiểu ô nhiễm môi trường

- Nâng cao hiệu quả sản xuất.

Tuy nhiên, trong thực tế còn một số khó khăn khi thực hiện đổi mới công nghệ theo hướng ứng dụng robot và tự động hóa.

- Bài toán nhân sự tại các cơ sở sản xuất công nghiệp là một vấn đề khó giải quyết, xu thế bảo thủ trì trệ còn nhiều nên việc ứng dụng công nghệ mới là một thách thức lớn với các lãnh đạo doanh nghiệp. 

- Vốn đầu tư cho hệ thống còn cao do một số thiết bị do chúng ta chưa tự sản xuất được : Động cơ Servo, phần cứng hệ thống điều khiển; tay máy robot,…

- Tiêu chuẩn hàng hóa khi đưa ra thị trường chưa đòi hỏi có một quy chuẩn thống nhất nên các đơn vị sản xuất nhỏ, lẻ kém chất lượng vẫn tồn tại, không tuân thủ các tiêu chuẩn hiện hành.

- Trình độ kỹ thuật của hầu hết các công nhân và kỹ sư tại các cơ sở sản xuất công nghiệp chưa được tiếp cận đến công nghệ Robot và tự động hóa nên việc tiếp nhận và chuyển giao công nghệ gặp khó khăn.

- Ứng dụng công nghệ mới phải đồng bộ từ khẫu sản xuất đến khâu kho bãi và phương thức vận chuyển sản phẩm cung cấp cho khách hàng. Do vậy, một trong những rào cản của các doanh nghiệp cũ là hệ thống sản xuất thiếu đồng bộ nên việc đổi mới công nghệ trong sản xuất công nghiệp còn gặp nhiều khó khăn 

Tiềm năng ứng dụng robot trong đổi mới công nghệ.

- Phần lớn các đơn vị sản xuất hàng rời như : sản xuất thức ăn gia súc; chế biến khoáng sản,…có vốn đầu tư nước ngoài đến được trang bị dây chuyển sản xuất tự động hóa cao, bốc xếp tự động bằng robot.

- Một số nhà máy sản xuất công nghiệp đầu tư mới cũng đã ứng dụng công nghệ mới. Tuy nhiên, số lượng các dây chuyển cũ cần cải tạo nâng cấp còn rất nhiều. 

- Ứng dụng công nghệ Robotics trong công nghiệp không chỉ ứng dụng trong hệ thống đóng bao hàng rời mà còn được ứng dụng phổ biến trong sản xuất công nghiệp và toàn bộ các lĩnh vực trong xã hội. Việc tiếp cận, làm chủ và triển khai ứng dụng nhằm nâng cao năng suất lao động, hạ giá thành là xu thế tất yếu./.

 TS. Hoàng Việt Hồng, Công ty cổ phần Viện máy và dụng cụ công nghiệp (Viện IMI)