Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống Pick and Place xếp chồng thép lên pallet

Đồ án thiết kế hệ thống xếp chồng thép lên pallet tự động. Tài liệu gồm tính toán, lựa chọn thiết bị, mô phỏng 3D và lập trình điều khiển PLC.

• Tác giả: Hoàng Nguyễn Quốc Anh
• Người hướng dẫn: Phạm Phương Tùng
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Thiết kế hệ thống xếp chồng thép lên pallet (Design a Pick and Place System to Transfer Steel Plate to Pallet)
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống xếp chồng thép lên pallet tự động

Hệ thống xếp chồng thép lên pallet tự động là một giải pháp hiện đại trong ngành công nghiệp chế tạo và logistics, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và vận chuyển. Đây là một ứng dụng của công nghệ Pick and Place - cơ cấu gắp thả vật có khả năng tự động nhặt, di chuyển và xếp chồng các tấm thép lên pallet một cách hiệu quả. Hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí vận hành và đảm bảo an toàn hàng hóa trong quá trình xử lý. Với sự phát triển của công nghệ cơ điện tử, hệ thống tự động xếp chồng thép ngày càng trở nên phổ biến, thay thế dần các phương pháp thủ công truyền thống. Các ưu điểm nổi bật bao gồm tốc độ xử lý cao, độ chính xác cao, và khả năng làm việc liên tục không mệt mỏi. Đối với các doanh nghiệp sản xuất thép, việc áp dụng hệ thống này không chỉ cải thiện hiệu quả mà còn tạo ra lợi thế cạnh tranh đáng kể trên thị trường.

1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống Pick and Place

Hệ thống Pick and Place bao gồm ba thành phần chính: cơ cấu chuyển động (di chuyển trên các trục tọa độ), tay gắp hoặc gripper (để nзахват vật liệu), và hệ thống điều khiển tự động. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc sử dụng các động cơ servo để điều khiển chính xác vị trí của tay gắp, cho phép nó di chuyển theo các trục X, Y, Z. Quá trình thực hiện gồm: nhặt tấm thép, nâng cao, di chuyển đến vị trí pallet, hạ xuống và xếp chồng. Hệ thống được điều khiển bởi bộ điều khiển PLC để đảm bảo độ chính xác và tự động hóa toàn bộ quy trình.

1.2. Ứng dụng thực tế trong công nghiệp hiện đại

Trong công nghiệp sản xuất và logistics, hệ thống xếp chồng thép tự động được ứng dụng rộng rãi ở các nhà máy luyện thép, xưởng chế tạo cơ khí, và trung tâm phân phối. Các ứng dụng chính bao gồm xếp chồng tấm thép sau quá trình cán, sắp xếp hàng hóa để vận chuyển, và quản lý kho thông minh. Với năng suất cao và độ an toàn tối ưu, hệ thống này giảm thiểu chấn thương lao động và tăng hiệu suất làm việc lên 300-400% so với phương pháp thủ công.

II. Các thành phần chính và lựa chọn phương án thiết kế

Để thiết kế một hệ thống xếp chồng thép hiệu quả, cần phải lựa chọn các thành phần phù hợp và tối ưu. Các thành phần chính bao gồm: cơ cấu Pick and Place (di chuyển 2 bậc tự do), tay gắp pneumatic hoặc vacuum, xy lanh khí nén để đẩy chồng thép, động cơ servo để điều khiển vị trí chính xác, và bộ điều khiển PLC để quản lý toàn hệ thống. Trong giai đoạn lựa chọn phương án, cần cân nhắc các yếu tố như: khối lượng thép cần xếp, tần suất hoạt động, yêu cầu về độ chính xác, và ngân sách đầu tư. Phương án được lựa chọn sử dụng cơ cấu vít-me kết hợp xy lanh khí nén, gripper khí nén, và bộ điều khiển PLC hiện đại để đảm bảo hiệu quả tối ưu.

2.1. Lựa chọn cơ cấu và thiết bị chấp hành

Cơ cấu Pick and Place 2 bậc tự do gồm: khâu 1 là vít-me (screw) để điều khiển chuyển động dọc, khâu 2 là xy lanh khí nén để chuyển động ngang. Tay gắp được lựa chọn là gripper khí nén vì độ tin cậy cao, chi phí thấp, và phù hợp với xếp chồng thép. Các xy lanh khí nén được tính toán dựa trên khối lượng tấm thép và yêu cầu lực cần thiết để đảm bảo hoạt động an toàn.

2.2. Hệ thống điều khiển và cảm biến

Bộ điều khiển PLC được lựa chọn để quản lý toàn bộ quy trình hoạt động. Hệ thống cảm biến bao gồm: cảm biến vị trí từ hành trình (limit switches) để xác định vị trí của xy lanh, cảm biến đếm thép để theo dõi số lượng tấm, và cảm biến phát hiện để kiểm tra sự hiện diện của vật liệu. Giao diện SCADA được thiết kế để giám sát và điều khiển hệ thống từ xa.

III. Thiết kế cơ khí và tính toán các thông số kỹ thuật

Thiết kế cơ khí của hệ thống xếp chồng thép yêu cầu tính toán chi tiết các thông số để đảm bảo độ bền, độ chính xác và an toàn. Khâu 1 sử dụng vít-me với đường kính và bước vít được tính toán dựa trên khối lượng tấm thép (thường 100-500 kg/tấm) và tốc độ chuyển động mong muốn. Khâu 2 sử dụng xy lanh khí nén với đường kính được chọn để tạo đủ lực nâng. Gripper được thiết kế với các cơ cấu cầm chắc để không làm trượt hoặc hư hại tấm thép. Mô hình 3D được xây dựng bằng CAD để kiểm tra các va chạm và tối ưu hóa cấu trúc. Tất cả các thành phần được thiết kế với hệ số an toàn 1.5-2.0 để đảm bảo độ tin cậy cao.

3.1. Tính toán khâu 1 và khâu 2 của cơ cấu Pick and Place

Khâu 1 (Vít-me): Tính toán đường kính vít dựa trên công thức: d ≥ ∛(32M/π.σ), với M là mô-men xoắn. Tốc độ quay của động cơ servo và bước vít được chọn sao cho tốc độ chuyển động dọc đạt 0.5-1 m/s. Khâu 2 (Xy lanh): Lực cần thiết được tính: F = m.g (khối lượng × trọng lực). Đường kính xy lanh được chọn từ bảng tiêu chuẩn để tạo lực đẩy đủ (thường 32-50 mm).

3.2. Thiết kế gripper và mô hình 3D

Gripper pneumatic được thiết kế với hai ngàm kẹp có bề mặt ma sát cao để cầm chắc tấm thép. Lực cầm được tính toán để không làm biến dạng hoặc trầy xước bề mặt thép. Mô hình 3D của toàn hệ thống được xây dựng bằng CATIA hoặc SolidWorks, cho phép kiểm tra chuyển động, tối ưu hóa không gian, và phát hiện các vấn đề thiết kế trước khi sản xuất.

IV. Hệ thống điều khiển mô phỏng và kết quả thực tế

Hệ thống điều khiển được thiết kế dựa trên bộ điều khiển PLC với chương trình Ladder Logic hoặc Structured Text để quản lý toàn bộ quy trình. Sơ đồ Grafcet (Sequential Function Chart) được sử dụng để mô tả logic hoạt động: bắt đầu → nhặt thép → nâng cao → di chuyển → hạ xuống → xếp chồng → quay về vị trí ban đầu. Giao diện SCADA cung cấp khả năng giám sát thời gian thực, điều khiển thủ công, và thống kê dữ liệu. Mô phỏng được thực hiện bằng TIA Portal hoặc Factory I/O để xác minh các chương trình và các phản ứng của hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, tốc độ xếp chồng đạt 10-15 tấm/giờ, và độ chính xác định vị ±5mm.

4.1. Thiết kế điều khiển PLC và sơ đồ Grafcet

Bộ điều khiển PLC được lập trình để quản lý các input từ cảm biến và điều khiển các output cho động cơ servo, xy lanh, và gripper. Sơ đồ Grafcet định rõ các bước thực hiện: (0) Vị trí chờ → (1) Nhặt thép (gripper đóng) → (2) Nâng cao (servo quay) → (3) Di chuyển ngang (xy lanh đẩy) → (4) Hạ xuống → (5) Xếp chồng (xy lanh đẩy chồng) → (0) Quay về. Mỗi bước được kích hoạt bởi cảm biến và điều kiện logic, đảm bảo tuần tự đúng.

4.2. Mô phỏng SCADA và kết quả thử nghiệm

Giao diện SCADA hiển thị trạng thái của các cảm biến, vị trí hiện tại, và lịch sử hoạt động. Mô phỏng cho phép kiểm tra các tình huống ngoại lệ (lỗi cảm biến, vật cản, v.v.). Kết quả thử nghiệm cho thấy: tốc độ xếp chồng 10-15 tấm/giờ, độ chính xác ±5mm, chi phí vận hành thấp (khí nén, điện), và độ tin cậy cao (>95%). Hệ thống có thể mở rộng để xử lý các loại vật liệu khác hoặc tăng tốc độ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN 1. Tổng quan về hệ thống Pick and Place Hệ thống gắp thả sản phẩm (Pick and Place) là phương pháp gắp các vật thể từ vị trí này sang vị trí khác. Các nhiệm vụ cơ bản như nâng vật thể hoặc di chuyển chúng không đòi hỏi nhiều về tư duy, suy nghĩ. Do đó, việc con người thực hiện các nhiệm vụ này gây lãng phí nguồn lực.

Các hệ thống gắp thả vật còn được trang bị các cảm biến và hệ thống thị giác để gắp vật thể khỏi băng chuyền đang di chuyển. Hệ thống gắp thả sản phẩm (Pick and Place) hiện nay được áp dụng nhiều trong các lĩnh vực: Hình 1. 1: Ứng dụng của cơ cấu gắp thả vật trong công nghiệp • Ứng dụng lắp ráp các thiết bị, đóng gói sản phẩm. • Ứng dụng trong phân loại sản phẩm, kiểm soát và quản lý chất lượng sản phẩm.

Hệ thống pick and place mang lại nhiều ưu điểm nổi bật trong quy trình sản xuất. Đầu tiên, chúng cải thiện hiệu quả và năng suất bằng cách thực hiện các nhiệm vụ lắp ráp nhanh chóng và chính xác hơn so với lao động thủ công, từ đó tăng cường năng suất sản xuất. Hệ thống này cũng giúp giảm chi phí lao động và các vấn đề liên 1 SVTH: Hoàng Nguyễn Quốc Anh (2012581) Đồ án tốt nghiệp (ME4327) GVHD: TS. Phạm Phương Tùng quan đến quản lý nhân sự bằng cách thay thế công việc lắp ráp thủ công bằng tự động hóa.

Thêm vào đó, với độ chính xác cao trong việc đặt và sắp xếp linh kiện, hệ thống pick and place đảm bảo chất lượng sản phẩm, giảm lỗi và cải thiện chất lượng cuối cùng. Khả năng xử lý các linh kiện nhỏ và phức tạp, cùng với sự linh hoạt trong việc thay đổi giữa các sản phẩm khác nhau, giúp tối ưu hóa không gian làm việc và giảm mệt mỏi cũng như nguy cơ tai nạn cho công nhân. Hơn nữa, nhiều hệ thống hiện đại còn có khả năng thu thập và phân tích dữ liệu, từ đó cải thiện quy trình sản xuất. Tuy nhiên, việc đầu tư vào hệ thống pick and place cũng đi kèm với một số nhược điểm.

Chi phí đầu tư ban đầu cao, bao gồm chi phí cho thiết bị, phần mềm, và đào tạo, có thể là một rào cản đối với các doanh nghiệp nhỏ hoặc mới thành lập. Bên cạnh đó, hệ thống cần được bảo trì định kỳ và có thể gặp sự cố kỹ thuật, điều này tốn thời gian và chi phí. Mặc dù một số hệ thống có khả năng linh hoạt cao, nhưng không phải tất cả đều dễ dàng điều chỉnh để xử lý các loại linh kiện khác nhau, điều này có thể yêu cầu sự thay đổi hoặc nâng cấp thiết bị. Việc vận hành và bảo trì hệ thống cũng đòi hỏi kỹ năng và đào tạo đặc biệt, làm tăng thêm thời gian và chi phí.

Ngoài ra, sự phụ thuộc vào phần mềm có thể ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống nếu phần mềm gặp sự cố hoặc cần được cập nhật. Cuối cùng, hệ thống có thể gặp khó khăn trong việc xử lý các sản phẩm không đồng đều và không phản ứng linh hoạt trong các tình huống bất ngờ, đồng thời có thể yêu cầu không gian lắp đặt lớn, không phù hợp với các khu vực sản xuất có không gian hạn chế. Một số cơ cấu Pick and Place phổ biến trong công nghiệp 1. Arm robot (Cánh tay robot) Cơ cấu Pick and Place của cánh tay robot là một hệ thống tự động được sử dụng để lấy (pick) các vật thể từ một vị trí và đặt (place) chúng vào vị trí khác.

Nó thường bao gồm một cánh tay robot có nhiều trục và khớp, với phần cuối là tay kẹp hoặc công cụ để nắm bắt và di chuyển các vật thể theo yêu cầu. Hệ thống này được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất, lắp ráp và đóng gói. 2 SVTH: Hoàng Nguyễn Quốc Anh (2012581) Đồ án tốt nghiệp (ME4327) GVHD: TS. Phạm Phương Tùng Hình 1.

2: Cánh tay robot vận chuyển hàng Cơ cấu Pick and Place của cánh tay robot mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Đầu tiên, nó có khả năng hoạt động với tốc độ và hiệu suất cao, giúp tăng năng suất và đảm bảo tiến trình công việc nhanh chóng, liên tục. Hơn nữa, hệ thống này có độ chính xác cao, nhờ vào các cảm biến và hệ thống điều khiển tiên tiến. Điều này giúp giảm thiểu sai sót trong việc lấy và đặt các vật thể.

Một lợi thế khác là cánh tay robot có tính linh hoạt, dễ dàng điều chỉnh để xử lý nhiều loại vật thể khác nhau và thích nghi với các yêu cầu khác nhau của dây chuyền sản xuất. Tuy nhiên, hệ thống này cũng có những nhược điểm nhất định. Chi phí đầu tư ban đầu và bảo trì cho cánh tay robot khá cao, điều này có thể là rào cản đối với một số doanh nghiệp. Thêm vào đó, khả năng thích ứng của robot có thể bị hạn chế khi cần xử lý sản phẩm hoặc nhiệm vụ mới, đòi hỏi phải lập trình và thiết kế lại.

Ngoài ra, cánh tay robot cũng yêu cầu không gian làm việc đủ rộng để vận hành một cách hiệu quả. Gantry robot Gantry robot, còn gọi là robot cầu trục, là một loại robot có cấu trúc bao gồm các thanh ngang đặt trên khung cố định, cho phép di chuyển theo ba trục: X, Y, và Z. Nó thường được sử dụng để di chuyển và thao tác các vật thể lớn trong không gian rộng, chủ yếu trong các ứng dụng như lắp ráp, vận chuyển, và xếp dỡ. 3 SVTH: Hoàng Nguyễn Quốc Anh (2012581) Đồ án tốt nghiệp (ME4327) GVHD: TS.

Phạm Phương Tùng Hình 1. 3: Gantry robot Gantry robot có khả năng xử lý các vật thể lớn với độ chính xác cao nhờ vào khả năng di chuyển ổn định trên các trục cố định. Nó có thể bao phủ một diện tích rộng mà không cần mở rộng thêm không gian làm việc, phù hợp cho các ứng dụng lớn như xử lý tấm kim loại hoặc xếp dỡ hàng hóa. Hệ thống này cũng dễ dàng tùy chỉnh và lập trình để phù hợp với nhiều loại nhiệm vụ khác nhau, và vì cánh tay robot di chuyển dọc theo thanh ngang, nó giảm thiểu các chuyển động không cần thiết, giúp tăng hiệu suất và độ chính xác.

Mặc dù có nhiều ưu điểm, gantry robot cũng có những nhược điểm như chi phí lắp đặt và bảo trì cao do yêu cầu về cấu trúc khung cố định lớn. Hệ thống này cũng khó linh hoạt trong các không gian nhỏ và yêu cầu nhiều không gian làm việc. Hơn nữa, mặc dù gantry robot hoạt động tốt cho các ứng dụng lớn, nhưng khi cần thay đổi nhiệm vụ hoặc môi trường làm việc, quá trình điều chỉnh lại có thể phức tạp và tốn kém. Scara robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) là loại robot có cấu trúc với hai cánh tay quay theo chiều ngang và một trục thẳng đứng, giúp nó linh hoạt trong các chuyển động 2D và thao tác nhanh chóng.

SCARA thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao và độ chính xác như lắp ráp, gắn chip, và đóng gói sản phẩm. 4 SVTH: Hoàng Nguyễn Quốc Anh (2012581) Đồ án tốt nghiệp (ME4327) GVHD: TS. Phạm Phương Tùng Hình 1. 4: SCARA robot SCARA robot nổi bật với tốc độ và độ chính xác cao trong các ứng dụng cần xử lý nhanh, đặc biệt trong lắp ráp linh kiện điện tử.

Cấu trúc đơn giản của robot này cho phép nó di chuyển linh hoạt trên mặt phẳng ngang, giúp thực hiện các thao tác pick-and-place hiệu quả. SCARA cũng dễ dàng tích hợp vào các hệ thống sản xuất nhờ thiết kế gọn nhẹ, không chiếm nhiều không gian, và có chi phí đầu tư hợp lý so với các loại robot công nghiệp khác. Tuy nhiên, SCARA có những hạn chế nhất định, bao gồm khả năng di chuyển hạn chế chỉ trong phạm vi 2D (mặt phẳng ngang) và không phù hợp cho các ứng dụng cần thao tác phức tạp trong không gian 3D. Mặc dù có tốc độ cao, nhưng SCARA không thể xử lý các vật thể lớn hoặc nặng, nên chỉ phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tải trọng nhẹ.

Điều này khiến nó khó cạnh tranh trong các ngành công nghiệp đòi hỏi robot có sức mạnh và độ linh hoạt cao. Delta robot Delta robot là một loại robot với cấu trúc đặc biệt bao gồm ba cánh tay gắn trên ba cột thẳng đứng, được kết nối với nhau tại một điểm trung tâm để điều khiển một bộ kẹp hoặc công cụ. Robot này nổi bật với khả năng di chuyển nhanh chóng và chính xác trong không gian 3D, thường được sử dụng trong các ứng dụng cần xử lý tốc độ cao và độ chính xác cao như đóng gói và lắp ráp. 5 SVTH: Hoàng Nguyễn Quốc Anh (2012581) Đồ án tốt nghiệp (ME4327) GVHD: TS.

Phạm Phương Tùng Hình 1. 5: Delta robot Delta robot có khả năng di chuyển với tốc độ rất nhanh và độ chính xác cao, nhờ vào cấu trúc thiết kế độc đáo và sự cân bằng giữa các cánh tay. Điều này làm cho nó lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu thao tác nhanh và chính xác, như xếp dỡ các vật thể nhẹ hoặc đóng gói sản phẩm. Robot này cũng hoạt động hiệu quả trong không gian nhỏ vì các cánh tay của nó di chuyển trên các trục thẳng đứng và không chiếm nhiều không gian hoạt động.

Dù có nhiều ưu điểm, delta robot cũng có một số nhược điểm, bao gồm khả năng xử lý tải trọng hạn chế, thường chỉ phù hợp với các vật thể nhẹ. Thiết kế phức tạp của nó có thể dẫn đến chi phí đầu tư và bảo trì cao. Hơn nữa, delta robot không phù hợp cho các nhiệm vụ cần linh hoạt cao trong không gian 3D hoặc các ứng dụng yêu cầu thao tác với các vật thể có kích thước lớn hoặc không đồng đều. Các loại tay gắp (gripper) trong công nghiệp Gripper là một thiết bị cơ khí được sử dụng để cầm nắm và điều khiển các vật thể trong các hệ thống tự động, đặc biệt là trong robot công nghiệp.

Gripper thường có các ngón hoặc bề mặt tiếp xúc với vật thể, giúp thực hiện các thao tác như kẹp, nâng, xoay, hoặc di chuyển đối tượng. Gripper hút chân không (Vaccuum gripper) Gripper hút chân không là một loại cơ cấu cơ khí sử dụng lực hút chân không để cầm nắm và di chuyển các vật thể trong hệ thống tự động hóa, đặc biệt trong các ứng dụng công nghiệp như robot và dây chuyền sản xuất. Loại gripper này hoạt động 6 SVTH: Hoàng Nguyễn Quốc Anh (2012581) Đồ án tốt nghiệp (ME4327) GVHD: TS.