CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN BỐC XẾP HÀNG HÓA TỰ ĐỘNG TRONG CÔNG NGHIỆP 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước, trong nước 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Hiện nay, trên thế giới việc tự động hoá công đoạn bốc xếp sản phẩm đã được thực hiện với nhiều giải pháp như: bốc xếp bằng robot Cartesian 3 trục x, y, z (Nhật Bản), bốc xếp bằng robot Kuka (CHLB Đức). Công đoạn bốc xếp với robot Cartesian có ưu điểm là có thể lấy hai sản phẩm cùng một lúc từ vị trí băng tải sản phẩm sang vị trí băng tải xích.
Kiện sản phẩm sẽ được xếp trên một băng tải xích, sau đó chuyển kiện kính lên một giá đỡ chuyên dùng và được đưa đến vị trí đóng gói, do vậy hệ thống tương đối phức tạp, đòi hỏi mặt bằng nhà xưởng lớn. Công đoạn bốc xếp với robot Kuka thì mọi việc trở lên đơn giản hơn, không đòi hỏi mặt bằng nhà xưởng lớn vì mỗi robot Kuka được bố trí có thể bốc xếp được một sản phẩm và trực tiếp xếp sản phẩm vào giá đỡ chuyên dùng, do vậy sẽ rút ngắn thời gian bốc xếp sản phẩm. Tuy nhiên, với dây chuyền sản xuất như hiện nay thì phải có tối thiểu 2 robot Kuka để bốc xếp nên việc thiết kế điều khiển robot tương đối phức tạp, đòi hỏi trình độ người vận hành cao và chi phí đầu tư lớn [9]. Hệ thống dây chuyền bốc xếp hàng hóa tự động đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thành công trong nhiều thập kỷ vừa qua [10].
Các nghiên cứu đều nhấn mạnh tầm quan trọng hàng đầu, ngày càng tăng của hệ thống tự động hóa các dây chuyền sản xuất trong lắp ráp thiết bị công nghiệp hiện đại, bốc xếp hàng hóa trong kho chứa,. Robot bốc được sử dụng để bốc xếp hàng hóa hiện nay được quan tâm và phát triển bởi các hãng sản xuất như Fuji, ABB, Puma, TMI,. Các cánh tay được kết nối liên động với nhau theo một cơ cấu song song để dẫn động vị trí và góc hướng của đầu công tác. Trọng lượng của cánh tay sẽ được cân bằng cơ học bởi các cơ cấu phụ, cho phép tiêu tốn ít năng lượng và giảm sức ép lên các khớp, bạc đạn, điểm trụ và giá đỡ trên sàn.
Fuji cho biết sản phẩm loại này của hãng có năng suất bốc xếp tăng tới 1. Một số công trình nghiên cứu về robot bốc xếp hàng hóa tập trung vào xây dựng và giải các bài toán động học, động lực học để tạo cơ sở cho việc tính toán thiết kế và điều khiển robot [12], [16]. Bên cạnh đó là các nghiên cứu nhằm giảm thiểu công suất vận hành, lực tác động trên các trục và phát triển các cách tiếp cận khác nhau để mô phỏng và phân tích động lực học cho robot bốc xếp [13], [14], [15]. Các nghiên cứu trên cũng chỉ dừng lại ở việc đề xuất các giải pháp, dừng lại ở ý tưởng, chưa triển khai thiết kế, chế tạo thực tế.
Các tác giả trong [12] đã tiến hành phân tích động học cho robot 4 bậc tự do sử dụng trong các dây chuyền sản xuất hàng loạt, xác định bằng mô phỏng Matlab các tham số vị trí, vận tốc, gia tốc và không gian làm việc tối đa. Các tác giả trong [13] đã xây dựng một mô hình toán Học viên: Đỗ Tiến Mỳ 3 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Trường Đại học Sao Đỏ Luận văn Thạc sĩ kinetostatic khi sử dụng lý thuyết D’Alembert để chuyển đổi hệ thống lực quán tính tức thời thành hệ tĩnh và tính toán lực cho mỗi trục cho robot ở tư thế bất kỳ. Các công trình nêu trên thực hiện với khớp lên/xuống và vào/ra loại quay. Các tính toán thiết kế cụ thể phục vụ chế tạo robot bốc xếp kiểu lai do tính bảo mật công nghệ nên không có tài liệu công bố.
Để thiết kế và chế tạo một robot bốc xếp có cấu hình lai, thường dựa vào phân tích các bài toán động học và động lực học cho một robot bốc xếp có cấu hình tương tự (chẳng hạn như robot của hãng Fuji) với một số cải tiến về truyền động. Cấu hình robot bốc xếp kiểu lai được thiết kế có các khớp chuyển động R và Z là các khớp trượt (x1 và y4). Các khớp trượt sẽ hạn chế việc quay ngược và rung lắc của cơ cấu, giá thành rẻ, dễ thay thế, độ bền cao, phù hợp cho ứng dụng bốc xếp. Tình hình nghiên cứu trong nước Các thiết bị vận tải liên tục thường dùng để vận chuyển vật liệu dạng hạt, cục có kích thước nhỏ, chuyên chở các chi tiết ở dạng thành phẩm và bán thành phẩm,.
Sự phát triển kinh tế của mỗi nước phụ thuộc rất nhiều vào mức độ cơ giới hoá và tự động hoá các quá trình sản xuất. Trong quá trình sản xuất, các thiết bị vận tải liên tục thường có vai trò quan trọng vì các thiết bị vận tải liên tục sẽ cho năng suất cao hơn so với các phương tiện khác, nhất là ở những địa hình phức tạp, hiểm trở. Chúng là cầu nối giữa các công trình sản xuất riêng biệt, giữa các phân xưởng trong một nhà máy và giữa các máy công tác trong một giây chuyền sản xuất. Tuỳ theo chức năng vận chuyển, thiết bị vận tải liên tục có thể được phân loại như sau: Băng tải dùng để vận chuyển vật liệu dạng hạt, cục có kích thước nhỏ.
Băng chuyền dùng để vận chuyển các vật phẩm và bán thành phẩm trong các phân xưởng, nhà máy sản xuất theo dây chuyền. Băng gầu dùng để vận chuyển vật thể dạng hạt theo phương thẳng đứng. Bộ phận bốc hàng là những gầu nhỏ. Đường goòng treo dùng để trở hàng và vận chuyển hành khách ở những địa hình phức tạp và núi non hiểm trở.
Thang chuyền dùng để trở các hành khách trong các siêu thị và những nơi có lưu lượng hành khách lớn. [1] đã xây dựng cách thiết kế mạng neural – fuzzy thích nghi cho robot đa hướng bám quỹ đạo chứa nhiều thông số bất định. Mạng NFN trong nghiên cứu này có thể xấp xỉ gần đúng hệ thống phi tuyến. Tất cả các luật học cập nhật thích nghi trong mạng NFN bắt nguồn từ định lý Lyapunov, đảm bảo sự hội tụ và sự ổn định của hệ thống điều khiển.
Phương pháp này áp dụng cho việc điều khiển các hệ phi tuyến mà không có mô hình toán rõ ràng. Kết quả này đặt cơ sở cho việc thiết kế mạng NFN thích nghi có cấu trúc động cho hệ thống phi tuyến nhiều đầu vào và đầu ra (MIMO) sau này. Học viên: Đỗ Tiến Mỳ 4 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Trường Đại học Sao Đỏ Luận văn Thạc sĩ [2] Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát SCADA cho công đoạn bốc xếp tự động sản phẩm kính. Dây chuyền công nghệ sản xuất kính nổi tại công ty VIFG đã tự động hoá được 90% từ khâu nạp liệu, nấu nguyên liệu, ra sản phẩm và cắt bỏ sản phẩm đúng với kích thước yêu cầu.
Tuy nhiên ở khâu bốc xếp, đóng gói vẫn thực hiện thủ công với lực lượng 27 công nhân làm việc 3 ca 4 kíp. Đây là khâu làm việc vất vả nhất, mỗi ngày dây chuyền sản xuất được 310 – 350 tấn sản phẩm, do đó mỗi người công nhân phải bốc xếp khoảng trên 10 tấn sản phẩm. Ngoài ra việc bốc xếp thủ công còn là nguyên nhân gây nên các hư hỏng cho kính như: gãy góc, trầy xướt bề mặt. [3] đã đề xuất phương pháp sử dụng thuật toán bền vững kết hơp kỹ thuật cuốn chiếu trong chuyển động bám quỹ đạo của robot khi các thông số động lực học không được biết trước.
Sự ổn định của hệ thống động lực học kín được chứng minh theo tiêu chuẩn Lyapunov. Tính hiệu quả của thuật toán đề xuất được chứng minh bằng các kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink, các kết quả cho thấy robot Planar đã bám sát quỹ đạo đặt trong thời gian yêu cầu. Phương pháp đề xuất có thể được sử dụng cho các robot có số bậc tự do lớn hơn và các tác nghiệp linh hoạt hơn. Đây cũng là mục tiêu để ứng dụng vào việc bốc xếp hàng hóa trong các dây chuyền công nghiệp.
[4] đã xây dựng mô hình động học và động lực học của hệ tích hợp robot di động, pan tilt, camera. Sau đó đề xuất một phương pháp điều khiển mới, sơ đồ điều khiển gồm hai vòng kín: vòng ngoài là điều khiển động học, vòng trong là điều khiển động lực học. Các thành phần bất định được bù bằng một luật học online trong bộ điều khiển thích nghi. Tính ổn định tiệm cận của hệ thống được chứng minh bằng tiêu chuẩn Lyapunov.
Công trình này cũng hướng đến ứng dụng robot trong công nghiệp sản xuất hàng loạt. [5] đã đưa ra các phương pháp di chuyển của robot dựa trên bài toán động học cũng như cách điều khiển các động cơ tương ứng với từng chuyển động. Tác giả đã đề xuất 2 phương pháp điều khiển robot đó là: phương pháp dựa trên phương trình Lagrange dạng nhân tử và phương pháp dựa trên phương trình vi phân thu gọn về tọa độ khớp chủ động. Sử dụng phương pháp dựa trên phương trình vi phân thu gọn về tọa độ khớp chủ động thì thời gian tính toán nhỏ hơn sử dụng phương pháp dựa trên phương trình Lagrange dạng nhân tử.
[6] đã đề xuất mô hình động học, động lực học của robot di động khi có trượt ngang, sử dụng luật điều khiển theo phương pháp tuyến tính hóa phản hồi vào ra. Tính ổn định của hệ thống được kiểm chứng bằng mô phỏng Matlab/Simulink. [7] tác giả đề xuất sử dụng bộ điều khiển tự chỉnh PID mờ để điều khiển robot. Bộ điều khiển đề xuất gồm hai vòng điều khiển: Vòng điều khiển thứ nhất có cấu hình gồm hai nhánh đều sử dụng bộ điều khiển PID mờ; nhánh thứ nhất tính toán góc tham chiếu dựa vào vị trí để giúp robot bám được vị trí; nhánh thứ hai cân bằng Học viên: Đỗ Tiến Mỳ 5 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Trường Đại học Sao Đỏ Luận văn Thạc sĩ robot tại góc tham chiếu.
Vòng điều khiển thứ hai là một bộ điều khiển PID tự chỉnh thông số để điều khiển hướng của robot. Góc nghiêng của robot được đo bằng cảm biến tích hợp MPU6050 kết hợp với bộ lọc bù.