Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống sản xuất công nghiệp hiện đại và chuỗi cung ứng logistics, kho hàng tự động (Automated Storage and Retrieval System - AS/RS) đóng vai trò trung tâm nhằm tối ưu hóa diện tích lưu trữ, tăng mật độ chứa hàng, giảm thiểu chi phí vận hành và loại trừ các sai sót do con người gây ra. Hệ thống kho tự động đòi hỏi khả năng vận hành liên tục, ổn định và chính xác trong việc xuất/nhập các kiện hàng giữa các tầng và dãy kệ hàng.

Đề tài "Thiết kế hệ dẫn động cho kho hàng tự động" được thực hiện dưới dạng Báo cáo Đồ án 1 của sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ - Điện tử, Trường Cơ khí - Đại học Bách khoa Hà Nội (thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Đức Thế Vũ dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Hữu Quang, hoàn thành vào tháng 01/2024).

Mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể của đồ án bao gồm:

  1. Phân tích nguyên lý hoạt động tổng thể và bổ sung, hoàn thiện sơ đồ động học hệ thống xe hàng tự động 3 bậc tự do (Oz, Ox, Oy).
  2. Xây dựng các điều kiện ràng buộc về hình học và vùng không gian làm việc của cơ cấu chấp hành trong hệ tọa độ Descartes $Oxyz$.
  3. Tính toán, thiết kế động học và động lực học cho các cụm dẫn động:
    • Cụm dẫn động nâng hạ kiện hàng theo phương thẳng đứng ($Oz$) sử dụng cơ cấu bánh răng - thanh răng kết hợp hộp giảm tốc bánh răng trụ hai cấp.
    • Cụm dẫn động di chuyển ngang xe mang hàng theo phương ngang ($Ox$) sử dụng bộ truyền xích và bánh xe lăn trên ray.
    • Cụm dẫn động cấp/lấy kiện hàng theo phương vuông góc ($Oy$) sử dụng hệ thống dàn con lăn nhông đôi dẫn động bằng xích.
  4. Tính chọn động cơ điện, phân phối tỷ số truyền, thiết kế chi tiết bộ truyền bánh răng, trục, then, ổ lăn và khớp nối đàn hồi cho hộp giảm tốc của cơ cấu nâng hạ.
  5. Thiết kế kết cấu khung kho chứa hàng dạng nhiều tầng, lập bản vẽ lắp 2D, mô hình 3D tổng thể và bản vẽ chế tạo chi tiết cơ khí.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cơ cấu dẫn động cơ khí và khung chứa của một mô hình kho hàng tự động phục vụ bốc xếp kiện hàng tải trọng nhẹ đến trung bình.
  • Phạm vi thiết kế: Giới hạn theo bộ số liệu ban đầu (phiếu đề VĐV 4-2) với thời hạn phục vụ của hệ thống $L_h = 18.000$ giờ, khối lượng toàn bộ cụm di chuyển ngang và kiện hàng $G_d = 70\text{ kg}$, khối lượng xe nâng $G_n = 195\text{ kg}$, chiều cao tối đa của kệ hàng $H_{\max} = 3200\text{ mm}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án áp dụng hệ thống lý thuyết chuẩn mực trong ngành cơ khí chế tạo máy và kỹ thuật cơ điện tử:

  • Khung lý thuyết cơ khí truyền động: Dựa trên phương pháp tính toán thiết kế chi tiết máy truyền thống (theo giáo trình tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí của các tác giả Trịnh Chất, Lê Văn Uyển và Nguyễn Trọng Hiệp). Bao gồm lý thuyết về độ bền tiếp xúc mặt răng, độ bền uốn chân răng, tính toán trục theo độ bền mỏi và tải trọng tĩnh, tính chọn ổ lăn theo khả năng tải động/tĩnh và tính toán khớp nối trục vòng đàn hồi.
  • Mô hình hóa động học không gian: Thiết lập hệ tọa độ Descartes không gian 3 chiều $Oxyz$ gắn tại chân cột dẫn hướng cố định để thiết lập phương trình chuyển động, xác định các điểm giới hạn biên ($I_1, I_2, I_3, I_4$) nhằm xác định vùng hoạt động hữu dụng của xe di chuyển và kích thước phân chia các ô kệ chứa hàng.
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp phân tích - tổng hợp động học: Phân rã hệ thống kho hàng phức tạp thành 3 chuỗi dẫn động độc lập theo các trục tọa độ $Oz$ (nâng hạ), $Ox$ (chạy ngang) và $Oy$ (con lăn dịch chuyển kiện hàng).
    • Phương pháp tính toán giải tích: Thiết lập cân bằng mô-men uốn tại các điểm đỡ của cụm con lăn dẫn hướng trên cột nâng, giải bài toán lực ma sát tiếp xúc thép - thép có bôi trơn để xác định công suất cản tĩnh và công suất yêu cầu trên trục động cơ.
    • Phương pháp tra cứu tiêu chuẩn kỹ thuật: Sử dụng các bảng tra thông số tiêu chuẩn cơ khí (vật liệu thép C45 tôi cải thiện, động cơ điện không đồng bộ ba pha dòng 4A, ổ bi đỡ chặn, khớp nối trục tiêu chuẩn).
  • Nguồn dữ liệu: Số liệu đầu vào từ đề tài mã VĐV 4-2 kết hợp các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn từ sổ tay thiết kế cơ khí và tài liệu hướng dẫn Đồ án Chi tiết máy.

Thiết kế và triển khai hệ dẫn động

Hệ thống dẫn động của kho hàng tự động được thiết kế trên mô hình động học không gian 3 trục với các thông số triển khai kỹ thuật cụ thể:

Cụm chức năng Phương chuyển động Cơ cấu truyền động chính Động cơ & Nguồn dẫn động Thông số động học cơ bản
Cụm nâng hạ xe mang Trục $Oz$ (Thẳng đứng) Động cơ $\rightarrow$ Khớp nối đàn hồi $\rightarrow$ Hộp giảm tốc bánh răng trụ nghiêng 2 cấp $\rightarrow$ Bánh răng - Thanh răng ($d_3 = 180\text{ mm}$) Động cơ điện 4A71B8Y3 ($P = 0{,}25\text{ kW}$, $n = 680\text{ vg/ph}$) Vận tốc nâng: $v_n = 2{,}2\text{ m/ph}$; Hành trình: $S_z = 2875\text{ mm}$
Cụm di chuyển xe ngang Trục $Ox$ (Nằm ngang) Động cơ $\rightarrow$ Hộp giảm tốc 2 cấp $\rightarrow$ Bộ truyền xích $\rightarrow$ Hệ thống 4 bánh xe lăn trên ray ($d_8 = 140\text{ mm}$) Động cơ điện ký hiệu 15 gắn trên xe di chuyển Vận tốc di chuyển: $v_x = 5{,}0\text{ m/ph}$; Chiều dài xe: $L_1 = 1000\text{ mm}$
Cụm nạp/dỡ kiện hàng Trục $Oy$ (Chiều sâu ô kho) Động cơ $\rightarrow$ Bộ truyền xích dẫn động dàn con lăn đôi ($d_7 = 42\text{ mm}$, 7 con lăn/ô) Động cơ điện ký hiệu 16 cấp nguồn qua tiếp điểm trượt 21 Vận tốc dịch chuyển hàng: $v_n = 2{,}0\text{ m/ph}$; Bề rộng sàn: $L_2 = 700\text{ mm}$

Cơ chế cấp nguồn và phối hợp chuyển động

Để đưa kiện hàng vào ô chứa mà không cần dây cáp kéo dài phức tạp, hệ thống sử dụng cơ cấu tiếp điểm cơ điện (cụm công tắc tiếp điểm 21). Khi xe di chuyển ngang $Ox$ chạm đúng vị trí ngăn chứa, cụm tiếp điểm đóng mạch phụ để cấp nguồn song song cho động cơ dẫn động dàn con lăn tĩnh lắp sẵn trong từng ô kho, phối hợp đồng tốc với dàn con lăn động trên sàn xe $Oy$. Cảm biến đo khoảng cách (ký hiệu 20) kiểm soát vị trí biên để dừng động cơ chính xác khi kiện hàng đã nằm trọn vẹn trong ô lưu trữ.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ HỆ DẪN ĐỘNG CỦA KHO HÀNG TỰ ĐỘNG

Chương này tập trung hoàn thiện sơ đồ cấu trúc và thiết lập cơ sở hình học cho toàn bộ hệ thống:

  • Bổ sung sơ đồ động học: Hoàn chỉnh sơ đồ hệ thống bằng việc định danh và đánh số các chi tiết còn thiếu: động cơ dẫn động xe ngang (15), động cơ dẫn động con lăn (16), các cụm nối trục (17, 18), bộ truyền xích con lăn (19), cảm biến tiệm cận/khoảng cách (20) và cụm tiếp điểm cấp điện tự động (21).
  • Hệ tọa độ làm việc: Thiết lập hệ trục Descartes $Oxyz$ với gốc $O$ đặt tại chân cột định vị, trục $Oz$ hướng thẳng đứng song song cột dẫn hướng 14, trục $Ox$ hướng sang phải theo phương di chuyển xe ngang và trục $Oy$ hướng vuông góc vào lòng ngăn chứa hàng.
  • Quy trình công tác: Mô tả chi tiết thuật toán chuyển động 5 bước cho chu trình cất hàng và 6 bước cho chu trình lấy hàng dựa trên sự phối hợp tuần tự giữa nâng $Oz$, chạy ngang $Ox$, đóng tiếp điểm 21, quay con lăn $Oy$ và phản hồi từ cảm biến khoảng cách.
  • Ràng buộc hình học: Xây dựng hệ bất phương trình giới hạn kích thước kiện hàng ($b_{12} < b$, $h_{12} < H - h_2 - h_{gh}$, $L_{12} < L_2$) và điều kiện chống lật cho kiện hàng ($h^* < h_2 + h_{12}$).

CHƯƠNG 2- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC HỆ KHO HÀNG TỰ ĐỘNG

Đây là chương trọng tâm chứa toàn bộ chuỗi tính toán giải tích cơ khí:

  • Xác định biên không gian $I_1I_2I_3I_4$ và kích thước khung kho: Tính toán vùng bao chuyển động với chiều dài hữu dụng $I_1I_2 = 1350 - x_0\text{ mm}$ (với khoảng cách cận cột $x_0 = 120\text{ mm}$), chiều cao vùng làm việc $I_2I_3 = 2875 + h_k - h_{gh}\text{ mm}$. Từ đó, lựa chọn quy mô kho gồm 2 cột chứa, mỗi cột 6 tầng ($z=6$), chiều cao mỗi ngăn $h_c \approx 470\text{ mm}$, chiều cao kiện hàng $h_k = 430\text{ mm}$, khoảng hở an toàn $h_{gh} = 300\text{ mm}$. Khung sử dụng thép góc định hình V$30\times30\times5$ liên kết hàn.
  • Tính toán động lực học cụm nâng Oz:
    • Mô men cân bằng quanh điểm trọng tâm $A$ xác định phản lực pháp tuyến tác dụng lên con lăn dẫn hướng: $N_1 = N_2 = N = 6572{,}7\text{ N}$.
    • Tổng hiệu suất hệ thống nâng: $\eta = \eta_k \cdot \eta_{ol}^3 \cdot \eta_{br}^2 = 0{,}99 \cdot (0{,}995)^3 \cdot (0{,}98)^2 = 0{,}937$.
    • Công suất yêu cầu trên trục động cơ: $P_{yc} = 0{,}138\text{ kW}$.
    • Lựa chọn động cơ điện: Động cơ 4A71B8Y3 có công suất định mức $P_{dc} = 0{,}25\text{ kW}$, tốc độ đồng bộ $n_{sb} = 750\text{ vg/ph}$, tốc độ quay thực $n_{dc} = 680\text{ vg/ph}$.
    • Phân phối tỷ số truyền hộp giảm tốc: Tỷ số truyền tổng $u_h = 193$, phân chia cấp nhanh $u_1 = 17{,}1$ và cấp chậm $u_2 = 11{,}3$ ($u_1 = 1{,}5 u_2$).
  • Thiết kế chi tiết bộ truyền bánh răng hộp giảm tốc nâng:
Cấp truyền động Modun ($m$) Số răng ($Z_1 - Z_2$) Góc nghiêng ($\beta$) Khoảng cách trục ($a_w$) Ứng suất tiếp xúc tính toán ($\sigma_H$) Ứng suất tiếp xúc cho phép ($[\sigma_H]$)
Cấp 1 (Nhanh) $1{,}5\text{ mm}$ $Z_1 = 7, Z_2 = 119$ $23{,}66^\circ$ $103\text{ mm}$ $384{,}76\text{ MPa}$ $481{,}81\text{ MPa}$ (Đạt bền)
Cấp 2 (Chậm) $2{,}0\text{ mm}$ $Z_3 = 15, Z_4 = 170$ $11{,}48^\circ$ $185\text{ mm}$ $464{,}06\text{ MPa}$ $481{,}80\text{ MPa}$ (Đạt bền)
  • Thiết kế nối trục và hệ trục hộp số:
    • Lựa chọn nối trục vòng đàn hồi với mô-men danh nghĩa $T = 63\text{ Nm}$, đường kính lỗ trục $d = 28\text{ mm}$, số chốt $Z = 6$, đường kính chốt $d_c = 10\text{ mm}$. Kiểm nghiệm bền dập vòng cao su ($\sigma_d = 0{,}874\text{ MPa} < [\sigma_d] = 2\text{ MPa}$) và bền uốn chốt đàn hồi ($\sigma_u = 16{,}39\text{ MPa} < [\sigma_u] = 60\text{ MPa}$).
    • Vật liệu trục chế tạo từ thép 45 tôi cải thiện ($\sigma_b = 750\text{ MPa}$, $\sigma_{ch} = 450\text{ MPa}$, $[\tau] = 15 \div 30\text{ MPa}$).
    • Đường kính sơ bộ các đoạn trục: Trục I $d_{sb1} = 25\text{ mm}$, Trục II $d_{sb2} = 30\text{ mm}$, Trục III $d_{sb3} = 34\text{ mm}$. Xác định chi tiết biểu đồ nội lực uốn - xoắn ($M_x, M_y, T$) cho hai trường hợp đặt lực khớp nối.

CHƯƠNG 3- THIẾT KẾ KẾT CẤU HỆ KHO HÀNG TỰ ĐỘNG

Chương này tổng hợp các yêu cầu công nghệ và nguyên lý lắp ráp:

  • Thiết kế kết cấu lắp đặt hệ khung kho chứa hàng từ các thanh thép hình hàn cố định.
  • Kết cấu lắp ráp cụm dẫn động $Oz$ với cột dẫn hướng 14 và cụm con lăn chịu lực 2.
  • Kết cấu cụm xe mang trượt $Ox$ và dàn con lăn nhông đôi $Oy$.
  • Xây dựng bản vẽ lắp cụm tổng thể và thiết kế bản vẽ chế tạo chi tiết bánh răng/trục.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán chính

  1. Hoàn thiện chuỗi động học nâng $Oz$: Thiết kế thành công hộp giảm tốc bánh răng trụ răng nghiêng hai cấp có tổng tỷ số truyền thực tế $u = 194{,}02$ (sai số tỷ số truyền các cấp chỉ từ $0{,}15% \div 0{,}26%$, nằm trong giới hạn cho phép).
  2. Đảm bảo các chỉ tiêu độ bền cơ học: Cả hai cặp bánh răng cấp nhanh và cấp chậm đều thỏa mãn điều kiện bền tiếp xúc và bền uốn theo chu kỳ tải trọng tĩnh phục vụ $18.000$ giờ:
    • Cặp cấp 1: $\sigma_{H1} = 384{,}76\text{ MPa} < [\sigma_H] = 481{,}81\text{ MPa}$.
    • Cặp cấp 2: $\sigma_{H2} = 464{,}06\text{ MPa} < [\sigma_H] = 481{,}80\text{ MPa}$; $\sigma_{F3} = 8{,}71\text{ MPa} \ll [\sigma_F] = 176{,}4\text{ MPa}$.
  3. Quy chuẩn hóa cụm nối trục và hệ khung: Khớp nối trục đàn hồi và kết cấu trục I, II, III được kiểm nghiệm đạt chỉ tiêu an toàn mỏi và tĩnh, kết cấu khung kho 2 cột $\times$ 6 tầng định hình bằng thép V$30\times30\times5$ đáp ứng độ cứng vững cho tải trọng kiện hàng $70\text{ kg}$.

Đóng góp thực tiễn của đồ án

  • Xây dựng phương pháp giải tích để xác lập tọa độ vùng làm việc hữu dụng $I_1I_2I_3I_4$ từ các điều kiện biên hình học của cơ cấu nâng hạ, làm cơ sở tính toán phân chia khoang chứa hợp lý.
  • Đề xuất giải pháp cấp nguồn qua tiếp điểm cơ điện 21 giúp tinh giản hệ thống dẫn cáp di động trên giàn nâng, tránh nguy cơ vướng hoặc đứt cáp trong quá trình vận hành liên tục.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế trong phạm vi đồ án:
    • Đồ án 1 tập trung chủ yếu vào tính toán chi tiết cơ khí và kiểm nghiệm bền cho cụm nâng hạ $Oz$ (hộp giảm tốc 2 cấp, hệ trục, nối trục); cụm dẫn động $Ox$ (bộ truyền xích) và cụm $Oy$ (con lăn sàn) mới chỉ dừng ở mức tính chọn công suất sơ bộ và nguyên lý kết cấu.
    • Chưa đi sâu vào thiết kế mạch điều khiển logic tự động (PLC hoặc vi điều khiển) và thuật toán điều khiển mềm tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Tính toán kiểm nghiệm bền chi tiết cho bộ truyền xích của cụm xe ngang $Ox$ và dàn truyền động con lăn nhông đôi $Oy$.
    • Ứng dụng phần mềm mô phỏng động lực học nhiều vật thể (như Adams, SolidWorks Motion) để đánh giá dao động và quán tính của xe mang khi khởi động và hãm dừng.
    • Tích hợp hệ thống điều khiển tự động hóa hoàn chỉnh và lập trình giao diện giám sát kho hàng trên máy tính.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Máy và Thiết bị tự động thực hiện các học phần: Đồ án Thiết kế hệ thống Cơ điện tử, Đồ án Chi tiết máy, Thiết bị nâng chuyển.
  • Các kỹ sư cơ khí đang tìm kiếm phương pháp tính toán giải tích chi tiết cho hộp giảm tốc hai cấp tỷ số truyền lớn ($u \approx 193$), tính chọn động cơ nâng hạ dựa trên cân bằng mô-men phản lực dẫn hướng và quy chuẩn thiết kế hệ thống con lăn kho hàng.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ điện nào được lựa chọn cho cụm nâng hạ trục Oz và các thông số kỹ thuật chính là gì?
Hệ thống sử dụng động cơ điện ba pha không đồng bộ ký hiệu 4A71B8Y3 (tra theo tiêu chuẩn thiết kế), công suất danh nghĩa $P_{dc} = 0{,}25\text{ kW}$, tốc độ quay đồng bộ $n_{sb} = 750\text{ vg/ph}$, tốc độ quay thực $n_{dc} = 680\text{ vg/ph}$, hệ số công suất $\cos\varphi = 0{,}65$, hiệu suất $\eta = 56%$.

2. Khung kho chứa hàng được phân chia như thế nào và sử dụng loại vật liệu gì?
Khung kho được thiết kế dạng kết cấu lắp ghép hàn từ thép góc định hình V$30\times30\times5$, chia thành 2 cột chứa hàng, mỗi cột gồm 6 ngăn tầng ($z = 6$). Chiều cao mỗi tầng khoảng $470\text{ mm}$ để chứa kiện hàng có chiều cao $h_k = 430\text{ mm}$, khoảng cách an toàn sàn $h_{gh} = 300\text{ mm}$.

3. Hộp giảm tốc của cơ cấu nâng hạ Oz có đặc điểm cấu tạo và tỷ số truyền ra sao?
Hộp giảm tốc là loại bánh răng trụ hai cấp răng nghiêng với tổng tỷ số truyền sơ bộ $u_h = 193$. Tỷ số truyền được phân phối cho cấp nhanh $u_1 = 17{,}1$ (modun $m=1{,}5$, $Z_1=7, Z_2=119$) và cấp chậm $u_2 = 11{,}3$ (modun $m=2{,}0$, $Z_3=15, Z_4=170$).

4. Cơ chế cấp điện cho dàn con lăn trong từng ngăn kho chứa khi bốc dỡ kiện hàng được thực hiện như thế nào?
Hệ thống sử dụng cụm công tắc tiếp điểm 21. Khi xe di chuyển ngang $Ox$ đưa kiện hàng đến đúng vị trí ô kho, tiếp điểm 21 trên xe sẽ chạm vào tiếp điểm trên khung kho, đóng mạch phụ cấp điện song song với động cơ 16 để kích hoạt các con lăn tĩnh trong ngăn kho quay cùng chiều với dàn con lăn $Oy$ trên xe.

5. Kết quả kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc của cặp bánh răng cấp nhanh (cấp 1) đạt giá trị bao nhiêu?
Ứng suất tiếp xúc tính toán của cặp bánh răng cấp 1 là $\sigma_{H1} = 384{,}76\text{ MPa}$, nhỏ hơn ứng suất tiếp xúc cho phép $[\sigma_H] = 481{,}81\text{ MPa}$, do đó bộ truyền đảm bảo hoàn toàn khả năng làm việc theo chỉ tiêu độ bền tiếp xúc mặt răng.

Kết luận

Báo cáo Đồ án 1 "Thiết kế hệ dẫn động cho kho hàng tự động" của tác giả Nguyễn Đức Thế Vũ đã giải quyết đầy đủ và có hệ thống bài toán thiết kế động học và động lực học cơ khí cho một mô hình kho bãi tự động 3 bậc tự do. Toàn bộ chuỗi tính toán từ xác định vùng biên không gian, chọn động cơ, phân phối tỷ số truyền đến kiểm nghiệm bền chi tiết cho hộp giảm tốc bánh răng trụ 2 cấp và hệ trục nâng $Oz$ đều bám sát các tiêu chuẩn kỹ thuật cơ khí chính xác. Đồ án cung cấp tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh làm tiền đề trực tiếp cho việc triển khai chế tạo mô hình thực nghiệm và tích hợp hệ thống điều khiển tự động trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.