Đặt vấn đề Khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquid Petroleum Gas – LPG) đã trở thành mặt hàng tiêu dùng thiết yếu trong cuộc sống sinh hoạt thường ngày và đang ngày càng được sử dụng rộng rãi. Theo số liệu (năm 2010) từ Ban phân tích – Công ty cổ phần chứng khoán dầu khí [1], nhu cầu tiêu thụ LPG tại Việt Nam tăng nhanh chóng: năm 1991 nhu cầu LPG cả nước 50,000 tấn, năm 2001 là 400,000 tấn và năm 2010 là 1.1 triệu tấn (Hình 1. Dự báo năm 2015 nhu cầu sử dụng LPG cả nước khoảng 1,5 triệu tấn và năm 2020 đạt 2 triệu tấn [2].1 Biểu đồ tiêu thụ LPG tại Việt Nam [1] Theo số liệu thống kê ở trên ta nhận thấy thị trường gas Việt Nam có tốc độ tăng trưởng 15% / năm trong vòng 10 năm qua. Thị trường tiêu thụ sản phẩm LPG tại Việt Nam hiện nay, đối tượng cơ sở thương mại, dịch vụ và hộ tiêu thụ dân dụng (sử dụng bình gas 12kg) chiếm khoảng 65% [1].
Từ số liệu trên chúng ta nhận thấy nhu cầu sử dụng bình gas 12 kg là rất lớn. Để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ to lớn trên, các công ty gas đang đầu tư xây dựng thêm các cửa hàng phân phối gas đến người tiêu dùng. Các cửa hàng phân phối không chỉ có chức năng lưu trữ mà còn là nơi các công ty đầu tư công nghệ để quảng bá sản phẩm và thương hiệu. Đầu tư công nghệ thể hiện bằng việc tự động 2 hóa các hoạt động nhập, sắp xếp, xuất bình gas….
Tự động hóa nhằm bảo đảm độ an toàn, tăng năng suất và đồng thời xây dựng hình ảnh công ty hiện đại và chuyên nghiệp. Hiện nay hoạt động vận chuyển, sắp xếp hàng trong các nơi lưu trữ gas ở Việt Nam chủ yếu vẫn dùng sức người là chính hoặc cao hơn là sử dụng xe nâng cho các nhà kho lớn. Do đó giải quyết bài toán tự động hóa các hoạt động trong nhà kho chứa gas là hết sức cần thiết và mang lại nhiều lợi ích cho doanh nghiệp. Với thực trạng trên tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế tay máy gắp bình gas” nhằm mục đích cải thiện điều kiện làm việc, nâng cao hiệu quả công việc, bước đầu tối ưu hóa đường đi của tay máy.2 Phạm vi nghiên cứu và mục tiêu của luận văn Tự động hóa việc vận chuyển và sắp xếp bình gas có thể thực hiện bằng nhiều cách.
Trong phạm vi luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu, thiết kế dạng tay máy khớp bản lề để thực hiện các tác vụ trong nhà kho. Để đạt được mục đích nêu ở phần 1, luận văn cần phải hoàn thành các mục tiêu sau: Thiết kế mô hình robot gắp bình gas, mô phỏng lắp ráp thể hiện kết cấu robot. Xây dựng phương trình động học. Xây dựng phương trình động lực học.
Tìm hiểu, mô phỏng thuật toán tối ưu việc sắp xếp bình gas.3 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn Mô phỏng động học tay máy giúp kiểm chứng kết quả tính toán thiết kế, đánh giá tương đối đầy đủ khả năng làm việc của phương án thiết kế mà không cần chế tạo thử. Mô phỏng giải thuật sắp xếp bình gas giúp ta đánh giá và lựa chọn đường đi hợp lý cho tay máy nhằm tiết kiệm năng lượng, thời gian và tăng hiệu suất công việc.1 Các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài Ngoài nước Hiện nay, trên thế giới, robot công nghiệp dùng để vận chuyển và sắp xếp sản phẩm được nhiều công ty thiết kế và chế tạo. Một số công ty chuyên sản xuất như: ABB, Kuka, Fanuc…Các công ty chủ yếu tập trung ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật, Đức, Ý… Ngày nay, xu thế phát triển của robot công nghiệp tập trung theo hướng tăng khả năng làm việc của robot (tốc độ làm việc, độ chính xác…), tăng tính an toàn, giảm giá thành, giảm kích cỡ và trọng lượng robot. Một số nghiên cứu đã triển khai có liên quan đến đề tài đã được công bố trên các tạp chí chuyên ngành [1] Guan Xiaoqing, Wang Jidong, “Mechanical design and kinematic analysis of a new kind of palletizing robot”, Mechanic Automation and Control Engineering (MACE), 2011 Second International Conference on, 2011, pp.
[2] Murat AKDAG, Design and analysis of robot manipulators by integrated CAE procedures, 2008. Trong nước Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã có những bước tiến đáng kể trong 25 năm qua. Đặc biệt phải kể đến Công ty Cổ phần TOSY, đã thiết kế chế tạo thành công tay máy robot 6 bậc tự do. Tuy nhiên cụ thể robot công nghiệp chuyên dùng để vận chuyển và sắp xếp hàng hóa vẫn chưa có cơ quan hoặc tổ chức nào tiến hành nghiên cứu và sản xuất.
Danh mục các nghiên cứu có liên quan [1] Phan Tấn Tùng, “Mô hình động học và động lực học của tay máy di động 5 bậc tự do”, Hội nghị khoa học và công nghệ lần thứ 9: Phân ban Cơ điện tử và Robot, Đại học Bách Khoa Tp. [2] Lê Đình Nguyên, Nghiên cứu thiết kế và giải thuật điều khiển tay máy theo vết một đường cong không gian, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Bách Khoa Tp HCM, 2009. 4 [3] Nguyễn Quốc Cường, Xây dựng giải thuật điều khiển cho robot hàn giàn giáo dựa trên mô hình động lực học, Luận văn Thạc sĩ, Đai học Bách Khoa Tp HCM.2 Tổng quan về kho bãi Các khái niệm cơ bản và vai trò của kho bãi Kho bãi là một phần trong hoạt động hậu cần. Do đó trước khi tìm hiểu về kho bãi chúng ta có cái nhìn sơ lược về hậu cần.
Logistic được định nghĩa như sau: “Logistics là một môn khoa học của việc hoạch định, tổ chức, quản lý và thực hiện các hoạt động cung ứng hàng hóa và dịch vụ” [3]. Mục tiêu của hậu cần là phân phối đúng sản phẩm, đúng thời gian với đúng số lượng và chất lượng tại đúng nơi. Khái niệm kho bãi: Kho bãi là một trung tâm phân phối hàng hóa, với mục tiêu đưa hàng hóa đến người dùng cuối một cách thuận tiện nhất. Chức năng cơ bản của kho bãi là bao gồm nhận hàng hóa, nhận biết và sắp xếp, phân phối hàng hóa đến nơi lưu giữ, lấy hàng từ nơi lưu giữ ra theo yêu cầu của khách hàng, đóng gói, gửi hàng.
Vai trò của kho bãi: Kho bãi đóng một vai trò quan trọng trong hoạt động hậu cần. Kho bãi có tác dụng duy trì một nguồn hàng liên tục, giảm chi phí vận tải và là địa điểm trung chuyển hàng gom hàng từ nhiều khách hàng hoặc tách hàng cho nhiều khách hàng khác nhau. Đối với các công ty nhập khẩu nguyên liệu, kho bãi giúp công ty chủ động được nguồn nguyên liệu không phụ thuộc vào sự biến động giá cả của thị trường. 5 Một số hệ thống vận chuyển và sắp xếp hàng hóa tự động được sử dụng trong nhà kho.
Hệ thống AS/RS (Automated Store & Retrieval System) Hệ thống AS/RS là hệ thống cất và lấy hàng tự động. Hệ thống này được ứng dụng cho số lượng hàng hóa lưu trữ lớn mà không gian lại giới hạn.2 Hệ thống AS/RS cỉa hãng Efacec Ưu điểm: Hệ thống AS/RS mang lại những lợi ích sau Quá trình lưu và xuất hàng hóa nhanh, hoạt động liên tục 24 giờ/ ngày. Tiết kiệm không gian lưu trữ. Khả năng lưu trữ linh hoạt và dễ dàng mở rộng theo nhu cầu.
Sử dụng lao động ít nên tiết kiệm chi phí nhân công, quản lý, bảo hiểm và thiết bị hỗ trợ. Quản lý chuyên nghiệp và hiệu quả nhờ phần mềm quản lý kho kết hợp với công nghệ mã vạch (Barcode) hay thẻ từ (Transponder). Khuyết điểm: Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống cao. Xe tự hành (AGVs – Automated Guided Vehicles) Xe tự hành là một dạng xe chở hàng không người lái, hoạt động nhờ động cơ điện và pin.
Chiếc xe đầu tiên được phát minh vào năm 1953. Tải trọng nâng được của xe từ vài kg tới hơn 100 tấn. Xe tự hành có thể nâng, hạ và vận chuyển pallet một cách tự động bằng các càng nâng hoặc đầu nâng tùy thuộc vào loại và kích cỡ của hàng hóa cần vận chuyển. Những chiếc xe đầu tiên nhận biết đường đi nhờ vệt sơn trên sàn, dải dẫn hướng (inductive guide wire) v.v… Những năm gần đây, công nghệ dò đường hiện đại hơn đã được sử dụng như bộ dò laser, cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại, hệ thống camera… Hình 1.3 Xe tự hành của hãng Efacec c.
Carousel Carousel là một dạng kệ lưu giữ hàng hóa, có thể chuyển động nhờ hệ thống xích dẫn động bằng động cơ điện. Carousel được ứng dụng trong chu trình lấy hàng từ nơi lưu giữ ra theo yêu cầu của khách hàng (order picking) quy mô nhỏ. Có hai dạng carousel: đứng và ngang. Trong carousel dạng ngang ở hình 1.4, các ngăn đựng hàng được gắn trên khung kệ, các ngăn này có thể chuyển động tới lui nhờ hệ thống xích.
Hàng hóa theo yêu cầu được mang tới người điều khiển theo đường ngắn nhất.4 Carousel dạng ngang 7 Trong carousels dạng đứng (hình 1.5), các ngăn được giữ trên khung kệ được lắp giữa hai hệ thống truyền động động cơ – xích lắp thẳng đứng. Các kệ di chuyển lên xuống theo đường ngắn nhất mang hàng hóa theo yêu cầu đến người vận hành.5 Carousel dạng đứng 1.3 Tiêu chuẩn và quy định an toàn trong vận chuyển và lưu trữ bình gas (LPG) Các tiêu chuẩn và quy định nhà nước hiện hành có liên quan: TCVN 6304 : 1997 Chai chứa khí đốt hóa lỏng – yêu cầu an toàn trong bảo quản, xếp dỡ và vận chuyển. TCVN 6223 : 2011 Cửa hàng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) – Yêu cầu chung về an toàn. Nghị định 107/2009/NĐ – CP Về kinh doanh khí dầu mỏ hóa lỏng.
LPG là loại nhiên liệu thuộc nhóm nguy hiểm, dễ cháy nổ do đó thiết bị vận chuyển bình gas trong nhà kho thuộc loại thiết bị chuyên môn, đặc thù. Thiết bị này khi hoạt động phải tuân thủ chặt chẽ các tiêu chuẩn, quy định về bảo quản, xếp dỡ vận chuyển. Người thực hiện đề tài đã tìm hiểu những tiêu chuẩn, quy định nhà nước hiện hành có liên quan đến việc bảo quản, xếp dỡ, vận chuyển và qua đó rút ra những yêu cầu cần đáp ứng đối với thiết bị này. Khi vận chuyển và sắp xếp các bình gas phải luôn ở tư thế thẳng đứng, van ở trên.
Các bình gas được xếp chồng lên nhau, độ cao tối đa mỗi chồng là 1.4 Quy trình thiết kế cánh tay robot Quy trình thiết kế cánh tay robot cũng tuân theo các bước của một quy trình thiết kế kĩ thuật.