Trường đại học
Trường Đại học Lâm nghiệpChuyên ngành
Kỹ thuật cơ khíNgười đăng
Ẩn danhThể loại
Luận văn thạc sĩ2018
Phí lưu trữ
30.000 VNĐMục lục chi tiết
Tóm tắt
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy mạnh mẽ quá trình tự động hóa, đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất cơ khí. Robot vận chuyển xưởng cơ khí không còn là khái niệm xa vời mà đã trở thành một thành phần cốt lõi của nhà máy thông minh và cuộc cách mạng Công nghiệp 4.0. Các hệ thống này, bao gồm xe tự hành AGV (Autonomous Guided Vehicle) và robot tự hành AMR (Autonomous Mobile Robot), đang dần thay thế các phương thức vận chuyển thủ công, mang lại hiệu quả vượt trội. Nghiên cứu của Nguyễn Quang Minh (2018) chỉ ra rằng, việc ứng dụng robot vào sản xuất giúp tăng năng suất, đảm bảo độ chính xác và giải phóng con người khỏi những công việc nặng nhọc, lặp đi lặp lại trong môi trường độc hại. Các robot này có khả năng di chuyển linh hoạt, thực thi nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp liên tục của con người. Chúng được trang bị các cảm biến để nhận biết môi trường xung quanh, từ đó tự động điều hướng và tránh vật cản. Việc triển khai một hệ thống vận chuyển tự động không chỉ giúp tối ưu hóa dây chuyền sản xuất mà còn là bước đi chiến lược, giúp doanh nghiệp nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường toàn cầu. Sự ra đời của robot di động đã khắc phục nhược điểm lớn của tay máy công nghiệp truyền thống, vốn bị giới hạn về không gian làm việc. Giờ đây, robot có thể di chuyển tự do giữa các công đoạn sản xuất, từ kho nguyên liệu đến máy gia công và khu vực lắp ráp, tạo nên một dòng chảy vật chất liền mạch và hiệu quả.
Lịch sử phát triển của robot di động gắn liền với sự tiến bộ của khoa học máy tính và điều khiển học. Từ những robot sơ khai như 'Beast' của Đại học Johns Hopkins có khả năng tự tìm ổ cắm sạc, đến các xe tự hành AGV đầu tiên di chuyển theo đường kẻ vạch, công nghệ này đã có những bước tiến vượt bậc. Ngày nay, vai trò của hệ thống vận chuyển tự động trong công nghiệp là không thể phủ nhận. Chúng là nhân tố chính trong việc thực hiện tự động hóa nhà xưởng, giảm chi phí lao động, tăng độ chính xác trong việc cung ứng vật tư, và đảm bảo an toàn lao động. Trong bối cảnh sản xuất hiện đại, nơi tốc độ và sự linh hoạt là yếu tố sống còn, các hệ thống này giúp doanh nghiệp đáp ứng nhanh chóng các đơn hàng thay đổi, giảm thiểu thời gian chết của máy móc và tối ưu hóa việc sử dụng không gian nhà xưởng. Theo tài liệu nghiên cứu, các robot này còn có thể làm việc bền bỉ 24/7 mà không suy giảm hiệu suất, giữ cho chất lượng sản phẩm luôn ổn định.
Robot tự hành (Mobile Robot) được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí như cơ cấu di chuyển, môi trường hoạt động và phương thức điều khiển. Về cơ cấu, có robot dùng bánh xe (phổ biến nhất), robot dùng chân và robot dùng xích. Trong môi trường công nghiệp, hai loại phổ biến nhất là xe tự hành AGV và robot tự hành AMR. AGV là thế hệ robot vận chuyển đời đầu, thường di chuyển theo các đường dẫn định sẵn như vạch từ, băng keo màu hoặc dây dẫn âm sàn. Chúng hoạt động hiệu quả trong các môi trường có cấu trúc cố định. Ngược lại, AMR là công nghệ tiên tiến hơn, sử dụng các công nghệ như cảm biến laser LiDAR và định vị SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) để tự xây dựng bản đồ nhà xưởng và linh hoạt tìm đường đi. AMR không cần đường dẫn cố định, có khả năng tự động tránh vật cản và tìm ra lộ trình thay thế, khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các nhà máy thông minh có môi trường làm việc năng động.
Các xưởng cơ khí chế tạo truyền thống tại Việt Nam đang đối mặt với nhiều thách thức trong vận hành logistics nội bộ. Việc vận chuyển phôi, chi tiết và thành phẩm giữa các công đoạn chủ yếu vẫn dựa vào sức người hoặc các xe đẩy bán tự động. Phương pháp này bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng: năng suất thấp, chi phí nhân công cao, nguy cơ tai nạn lao động và sai sót trong quá trình vận chuyển. Sự phụ thuộc vào lao động thủ công khiến dây chuyền sản xuất dễ bị gián đoạn, khó kiểm soát và không thể đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về tốc độ và độ chính xác của thị trường. Hơn nữa, môi trường xưởng cơ khí thường tiềm ẩn nhiều rủi ro như bụi bặm, tiếng ồn, và các vật sắc nhọn, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người lao động. Báo cáo nghiên cứu của Nguyễn Quang Minh (2018) nhấn mạnh rằng "nhu cầu xe robot vận chuyển sản phẩm và hàng hóa trong các nhà máy xí nghiệp tại Việt Nam là một nhu cầu có thật, và khá bức thiết". Việc thiếu một hệ thống vận chuyển tự động hiệu quả là rào cản lớn ngăn cản doanh nghiệp thực hiện tự động hóa nhà xưởng một cách toàn diện, làm giảm sức cạnh tranh trong bối cảnh hội nhập và xu thế Công nghiệp 4.0.
Vận chuyển thủ công không chỉ tốn thời gian và công sức mà còn là nguồn gốc của nhiều vấn đề. Việc di chuyển các vật nặng có thể gây chấn thương cho công nhân. Dữ liệu và vị trí của vật tư không được cập nhật theo thời gian thực, dẫn đến khó khăn trong việc quản lý kho và lập kế hoạch sản xuất. Sai sót như giao nhầm vật tư, thất lạc chi tiết thường xuyên xảy ra, gây lãng phí và làm chậm tiến độ. Các phương tiện bán tự động như xe nâng tay tuy có cải thiện nhưng vẫn đòi hỏi sự điều khiển trực tiếp của con người và không thể tích hợp vào một hệ thống quản lý tập trung. Điều này cản trở việc tối ưu hóa dây chuyền sản xuất và xây dựng một quy trình làm việc thông minh, liền mạch.
Việt Nam đang trong giai đoạn chuyển mình mạnh mẽ, hiện đại hóa ngành sản xuất công nghiệp để cạnh tranh trên quy mô toàn cầu. Lợi thế về nhân công giá rẻ đang dần mất đi trước xu thế tự động hóa. Việc áp dụng tự động hóa nhà xưởng không còn là lựa chọn mà là yêu cầu bắt buộc để tồn tại và phát triển. Nhu cầu này đặc biệt cấp thiết trong ngành cơ khí chế tạo, nơi yêu cầu độ chính xác và hiệu quả cao. Việc đầu tư vào các hệ thống vận chuyển tự động như robot vận chuyển xưởng cơ khí là một giải pháp chiến lược. Giải pháp này không chỉ giải quyết các vấn đề tồn tại của phương pháp thủ công mà còn đặt nền móng cho việc xây dựng nhà máy thông minh, sẵn sàng cho cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư.
Thiết kế phần cứng là bước nền tảng quyết định đến hiệu suất và độ bền của một robot vận chuyển xưởng cơ khí. Quá trình này đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết động học và thực tiễn chế tạo. Theo mô hình nghiên cứu trong luận văn của Nguyễn Quang Minh, một quy trình chế tạo robot hiệu quả bắt đầu từ việc phân tích động học để xác định cơ cấu di chuyển phù hợp nhất. Mô hình robot được đề xuất sử dụng kết cấu ba bánh, bao gồm hai bánh chủ động và một bánh đa hướng, giúp robot di chuyển linh hoạt và ổn định trên mặt phẳng. Thân robot được chế tạo từ vật liệu mica, đảm bảo độ cứng vững cần thiết mà vẫn giữ được trọng lượng nhẹ. Bánh xe được gia công bằng nhôm và bọc cao su để tăng ma sát. Quá trình thiết kế phải được thể hiện chi tiết qua các bản vẽ thiết kế cơ khí trên phần mềm chuyên dụng. Các bản vẽ này không chỉ mô tả kết cấu tổng thể (Hình 2.5) mà còn chi tiết hóa từng bộ phận như đế robot (Hình 2.13), thân trên (Hình 2.14), gối đỡ và đồ gá động cơ (Hình 2.20). Việc tính toán và lựa chọn động cơ là yếu tố then chốt, phải dựa trên tổng trọng lượng của robot và tải trọng tối đa (10kg theo phạm vi nghiên cứu), cùng với các lực cản ma sát để đảm bảo robot có đủ công suất hoạt động.
Động học là cơ sở để xây dựng mối quan hệ giữa vận tốc của các bánh xe và chuyển động tổng thể của robot. Việc phân tích mô hình động học (Hình 2.4) giúp xác định các phương trình trạng thái, mô tả vị trí và hướng của robot trong không gian. Dựa trên phân tích này, cơ cấu di chuyển vi sai (differential drive) với hai bánh chủ động độc lập được lựa chọn. Cơ cấu này cho phép robot quay tại chỗ hoặc di chuyển theo một quỹ đạo cong bằng cách điều khiển chênh lệch vận tốc giữa hai bánh xe. Việc bổ sung một bánh đa hướng phía trước hoặc sau giúp robot giữ thăng bằng và giảm ma sát khi quay, đây là một lựa chọn tối ưu cho môi trường trong nhà xưởng có bề mặt phẳng.
Từ sơ đồ nguyên lý, quá trình thiết kế chi tiết được thực hiện bằng phần mềm CAD. Các bản vẽ thiết kế cơ khí 2D và 3D được tạo ra cho mọi thành phần. Thân robot được thiết kế dạng hộp với kích thước 600 x 350 x 130 mm, đủ không gian để lắp đặt bo mạch điều khiển, pin và các cảm biến. Các chi tiết như tấm hông, gối đỡ trụ, và đồ gá động cơ được thiết kế chính xác để đảm bảo lắp ráp dễ dàng và kết cấu vững chắc. Việc chuẩn hóa các bản vẽ này là rất quan trọng, giúp quá trình gia công và lắp ráp diễn ra nhanh chóng, chính xác, đồng thời tạo thuận lợi cho việc bảo trì, sửa chữa sau này. Đây là một bước không thể thiếu trong mọi quy trình chế tạo robot chuyên nghiệp.
Việc lựa chọn động cơ và cơ cấu chấp hành phải dựa trên các tính toán kỹ thuật cụ thể. Trước hết, cần xác định tổng lực đẩy cần thiết để robot di chuyển, bao gồm lực thắng ma sát lăn và lực quán tính khi tăng tốc. Công thức tính toán lực đẩy (F) và công suất động cơ (P1) được áp dụng dựa trên trọng lượng toàn xe (P) và hệ số ma sát (k). Dựa trên kết quả tính toán và yêu cầu về tốc độ, loại động cơ DC phù hợp sẽ được lựa chọn. Trong mô hình nghiên cứu, động cơ DC có hộp số giảm tốc được ưu tiên sử dụng để cung cấp momen xoắn lớn ở tốc độ thấp, phù hợp với nhiệm vụ vận chuyển hàng hóa. Các cơ cấu chấp hành khác như cơ cấu nâng hạ (nếu có) cũng cần được tính toán tương tự để đảm bảo hoạt động đồng bộ và hiệu quả.
Nếu khung cơ khí là "cơ thể" thì hệ thống điều khiển tự động chính là "bộ não" của robot vận chuyển. Một hệ thống điều khiển hiệu quả phải có khả năng xử lý thông tin từ cảm biến, ra quyết định và điều khiển chính xác các động cơ. Trái tim của hệ thống này là mạch điều khiển trung tâm, trong nghiên cứu này là mạch Adruino Mega 2560 R3 (Hình 2.26). Đây là một lựa chọn phổ biến do có cộng đồng hỗ trợ lớn, dễ lập trình và có đủ số chân I/O để kết nối với các thiết bị ngoại vi. Để điều khiển động cơ DC công suất lớn, cần có mạch công suất (driver) riêng, chẳng hạn như mạch H-bridge 400W (Hình 2.27), giúp bảo vệ vi điều khiển và cung cấp đủ dòng điện cho động cơ. Phương thức truyền nhận dữ liệu cũng rất quan trọng, đặc biệt cho chức năng điều khiển từ xa. Module Bluetooth HC-06 được sử dụng để thiết lập kết nối không dây với smartphone, cho phép người dùng gửi lệnh điều khiển một cách linh hoạt. Quá trình lập trình robot công nghiệp được thực hiện trên các nền tảng như Arduino IDE và Android Studio, xây dựng các giải thuật để xử lý nhiệm vụ dò line, tránh vật cản và nhận lệnh từ xa.
Việc lựa chọn linh kiện điện tử quyết định khả năng của robot. Bên cạnh mạch Arduino, các cảm biến đóng vai trò là "giác quan". Cảm biến siêu âm SRF05 được dùng để phát hiện vật cản, giúp robot tự động dừng lại hoặc tìm đường tránh. Cảm biến dò line hồng ngoại cho phép robot di chuyển theo một đường kẻ định sẵn trên sàn nhà, một phương pháp phổ biến cho các xe tự hành AGV. Về truyền dữ liệu, phương pháp truyền thông nối tiếp được lựa chọn cho kết nối giữa Arduino và module Bluetooth HC-06 (Hình 2.34) do tính đơn giản và hiệu quả. Nguồn cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống là pin Lipo (Tiger-4500MAH-6S-45C), cung cấp điện áp và dung lượng đủ lớn để robot hoạt động trong thời gian dài.
Giải thuật điều khiển là logic cốt lõi giúp robot hoạt động thông minh. Sơ đồ giải thuật (Hình 3.11) mô tả chi tiết quy trình xử lý của robot: khởi tạo hệ thống, đọc dữ liệu từ cảm biến, và ra quyết định điều khiển động cơ. Ví dụ, trong chế độ dò line, thuật toán sẽ đọc giá trị từ mảng cảm biến hồng ngoại. Nếu robot lệch trái, vận tốc bánh phải sẽ được tăng lên và ngược lại để giữ robot đi đúng vạch. Việc lập trình robot công nghiệp được thực hiện bằng ngôn ngữ C/C++ trên Arduino IDE cho vi điều khiển, và ngôn ngữ Java/Kotlin trên Android Studio để xây dựng ứng dụng điều khiển trên smartphone. Giao diện ứng dụng (Hình 3.12) được thiết kế trực quan, cho phép người dùng dễ dàng chuyển đổi giữa các chế độ hoạt động.
Mặc dù mô hình nghiên cứu sử dụng cảm biến siêu âm và dò line, các công nghệ tiên tiến hơn có thể được tích hợp để nâng cao năng lực của robot. Cảm biến laser LiDAR cung cấp khả năng quét môi trường 360 độ, tạo ra một bản đồ điểm chính xác, là nền tảng cho công nghệ định vị SLAM. Với SLAM, robot có thể tự định vị và điều hướng trong các không gian phức tạp mà không cần đường dẫn vật lý. Ngoài ra, trong các hệ thống công nghiệp quy mô lớn, việc sử dụng PLC điều khiển robot (Programmable Logic Controller) mang lại độ tin cậy và khả năng tích hợp vượt trội. PLC có thể giao tiếp với nhiều robot và các thiết bị khác trong dây chuyền, đồng bộ hóa hoạt động để đạt hiệu quả tối đa.
Sau khi hoàn tất thiết kế và chế tạo, giai đoạn ứng dụng và đánh giá thực nghiệm là cực kỳ quan trọng để xác định hiệu quả của robot vận chuyển xưởng cơ khí. Quá trình này bắt đầu bằng việc lắp ráp hoàn chỉnh các thành phần cơ khí và điện tử thành một robot thống nhất (Hình 4.1). Tiếp theo là giai đoạn kiểm thử và hiệu chỉnh. Các thử nghiệm được tiến hành để đánh giá khả năng chịu tải (Hình 4.2), độ chính xác khi di chuyển theo đường dẫn, và khả năng phản ứng với các lệnh điều khiển từ xa. Trong kịch bản mô phỏng tại xưởng, robot được lập trình để di chuyển từ kho hàng, dừng tại các vị trí máy tiện (Hình 4.5) và máy phay (Hình 4.6) để giao/nhận chi tiết, sau đó quay trở về vị trí ban đầu (Hình 4.7). Kết quả thực nghiệm cho thấy robot hoạt động ổn định, tuân thủ đúng lộ trình và thực hiện chính xác các nhiệm vụ được giao. Việc ứng dụng robot đã chứng minh tiềm năng to lớn trong việc tối ưu hóa dây chuyền sản xuất, giảm thời gian chờ đợi giữa các công đoạn và tạo ra một luồng công việc tự động, liền mạch, góp phần xây dựng một nhà máy thông minh thực thụ.
Trước khi chế tạo vật lý, mô phỏng robot trên phần mềm máy tính là một bước hữu ích. Mô phỏng giúp kiểm tra động học, phát hiện các xung đột cơ khí và tinh chỉnh thuật toán điều khiển mà không tốn chi phí vật liệu. Sau khi mô phỏng thành công, quy trình lắp ráp được tiến hành dựa trên các bản vẽ thiết kế cơ khí. Giai đoạn kiểm thử bao gồm việc kiểm tra từng chức năng riêng lẻ: kết nối bluetooth, hoạt động của động cơ, độ nhạy của cảm biến. Sau đó, các bài kiểm tra tích hợp được thực hiện, ví dụ như cho robot chạy không tải và có tải (Hình 4.8, 4.9) để đánh giá hiệu suất tổng thể và độ ổn định của hệ thống.
Hiệu quả vận hành được đánh giá qua hai chế độ chính. Ở chế độ dò line, robot thể hiện khả năng bám theo đường dẫn một cách chính xác, tự động dừng tại các trạm được đánh dấu. Chế độ này phù hợp với các dây chuyền sản xuất có luồng công việc cố định. Ở chế độ điều khiển từ xa qua smartphone, robot cho thấy sự linh hoạt cao, cho phép người vận hành điều hướng robot đến các vị trí bất kỳ trong xưởng. Chế độ này đặc biệt hữu ích cho các nhiệm vụ đột xuất hoặc trong các khu vực không có đường dẫn cố định. Sự kết hợp của hai chế độ này mang lại một giải pháp vận chuyển linh hoạt, đáp ứng đa dạng các yêu cầu trong sản xuất.
Để phát huy tối đa tiềm năng, robot vận chuyển xưởng cơ khí cần được tích hợp sâu vào hệ thống quản lý của nhà máy. Việc kết nối robot với hệ thống quản lý kho WMS (Warehouse Management System) cho phép tự động hóa hoàn toàn quy trình xuất/nhập kho. Khi hệ thống WMS nhận được yêu cầu vật tư, nó có thể tự động gửi lệnh đến robot gần nhất để thực hiện nhiệm vụ. Trong một nhà máy thông minh, robot không chỉ là một cỗ máy độc lập mà là một phần của một hệ sinh thái kết nối, giao tiếp với máy móc, hệ thống hoạch định nguồn lực doanh nghiệp (ERP) và con người, tạo ra một dây chuyền sản xuất thông minh và tự tối ưu hóa.
Ngành công nghiệp robot vận chuyển đang phát triển với tốc độ vũ bão, hứa hẹn những đột phá mới trong tương lai gần. Mô hình robot vận chuyển xưởng cơ khí được nghiên cứu là một nền tảng vững chắc, tuy nhiên vẫn có những hạn chế cần cải thiện và phát triển. Trong tương lai, các robot này sẽ ngày càng thông minh hơn nhờ tích hợp Trí tuệ nhân tạo (AI) và Học máy (Machine Learning). Chúng có thể tự học và tối ưu hóa lộ trình di chuyển dựa trên dữ liệu thu thập được theo thời gian thực, dự đoán các điểm tắc nghẽn và chủ động thay đổi kế hoạch. Một xu hướng nổi bật khác là sự phát triển của robot cộng tác (cobot). Không giống như robot công nghiệp truyền thống hoạt động trong các khu vực riêng biệt, cobot được thiết kế để làm việc an toàn ngay bên cạnh con người. Các cobot vận chuyển có thể theo sau công nhân, hỗ trợ họ mang vác các vật nặng, hoặc tự động mang dụng cụ đến vị trí cần thiết. Sự kết hợp giữa sức mạnh, sự bền bỉ của robot và sự khéo léo, khả năng phán đoán của con người sẽ tạo ra một môi trường làm việc hiệu quả và an toàn hơn, định hình tương lai của tự động hóa nhà xưởng.
Mô hình robot được phát triển trong nghiên cứu có nhiều ưu điểm nổi bật: chi phí chế tạo hợp lý, sử dụng các linh kiện thông dụng, dễ dàng lắp ráp và lập trình. Robot đã đáp ứng được các yêu cầu cơ bản về vận chuyển hàng hóa (tải trọng 10kg), dò line và điều khiển từ xa. Tuy nhiên, đề tài cũng tồn tại một số hạn chế như được nêu trong luận văn. Robot vẫn phụ thuộc vào các cảm biến đơn giản, chưa có khả năng tự lập bản đồ và điều hướng trong môi trường động. Tải trọng còn hạn chế và tốc độ di chuyển chưa được tối ưu. Đây là những điểm cần được cải tiến trong các nghiên cứu và phát triển tiếp theo để sản phẩm có tính ứng dụng thương mại cao hơn.
Hướng phát triển trong tương lai cho robot vận chuyển tập trung vào việc tăng cường "trí thông minh" và khả năng tích hợp hệ thống. Việc tích hợp AI sẽ cho phép robot nhận dạng đối tượng qua camera, hiểu mệnh lệnh bằng giọng nói và đưa ra các quyết định phức tạp. Về mặt điều khiển, việc chuyển từ vi điều khiển như Arduino sang hệ thống PLC điều khiển robot sẽ tăng cường độ tin cậy, sự ổn định và khả năng chống nhiễu trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. PLC cũng cho phép robot dễ dàng giao tiếp với các máy móc công nghiệp khác thông qua các chuẩn giao tiếp chung, tạo nên một hệ thống vận chuyển tự động hoàn chỉnh và đồng bộ, là một phần không thể thiếu của Công nghiệp 4.0.
Bạn đang xem trước tài liệu:
Nghiên cứu thiết kế chế tạo robot vận chuyển trong xưởng cơ khí chế tạo