Đồ Án Thiết Kế Hệ Dẫn Động Cho Kho Hàng Tự Động Tại Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án kỹ thuật nghiên cứu thiết kế hệ thống cơ khí thiết kế hệ dẫn động cho kho hàng tự động, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Lê Hoàng Anh
• Người hướng dẫn: TS. Cao Xuân Bình
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Dẫn Động Cho Kho Hàng Tự Động
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT
• 1.1. Tổng quan hệ thống
• 1.2. Nguyên lý hoạt động
• 1.3. Xác định các thành phần của hệ thống dẫn động
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 2.1. Khung kho chứa các kiện hàng
• 2.2. Yêu cầu kỹ thuật
• 2.3. Tính toán kết cấu khung, và hệ truyền dẫn
• 2.4. Thiết kế hệ thống nâng hàng
• KẾT LUẬN
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Hệ Dẫn Động Cho Kho Hàng Tự Động

Hệ thống kho hàng tự động đang trở thành xu hướng trong ngành logistics hiện đại. Việc thiết kế hệ dẫn động cho kho hàng tự động không chỉ giúp tối ưu hóa không gian lưu trữ mà còn nâng cao hiệu quả quản lý hàng hóa. Hệ thống này sử dụng công nghệ tiên tiến để tự động hóa quá trình lưu trữ và lấy hàng, từ đó giảm thiểu chi phí nhân công và tăng cường độ chính xác trong quản lý kho.

1.1. Khái Niệm Về Hệ Thống Kho Hàng Tự Động

Hệ thống kho hàng tự động (ASRS) là một giải pháp công nghệ cao giúp tự động hóa quá trình lưu trữ và lấy hàng. Hệ thống này bao gồm các robot và phần mềm quản lý, cho phép kiểm soát hàng hóa một cách hiệu quả.

1.2. Lợi Ích Của Hệ Thống Tự Động Hóa Kho

Việc áp dụng công nghệ tự động hóa trong kho hàng giúp tiết kiệm diện tích, giảm thiểu sai sót trong quản lý và nâng cao tốc độ xuất nhập hàng. Hệ thống này cũng giúp bảo quản hàng hóa tốt hơn và giảm chi phí vận hành.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Thiết Kế Hệ Dẫn Động

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc thiết kế hệ dẫn động cho kho hàng tự động cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như chi phí đầu tư ban đầu cao, yêu cầu kỹ thuật phức tạp và sự cần thiết phải bảo trì định kỳ là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Chi Phí Đầu Tư Ban Đầu Cao

Một trong những thách thức lớn nhất là chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống kho hàng tự động. Việc trang bị thiết bị hiện đại và công nghệ tiên tiến đòi hỏi một khoản đầu tư lớn, điều này có thể gây khó khăn cho nhiều doanh nghiệp.

2.2. Yêu Cầu Kỹ Thuật Phức Tạp

Thiết kế hệ dẫn động yêu cầu kiến thức chuyên môn sâu về cơ khí và điện tử. Các kỹ sư cần phải tính toán chính xác các thông số kỹ thuật để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và an toàn.

III. Phương Pháp Thiết Kế Hệ Dẫn Động Hiệu Quả

Để thiết kế hệ dẫn động cho kho hàng tự động, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc tính toán động học, lựa chọn động cơ phù hợp và thiết kế các bộ truyền cơ khí là những bước quan trọng trong quá trình này.

3.1. Tính Toán Động Học Trong Thiết Kế

Tính toán động học giúp xác định các thông số cần thiết cho hệ thống dẫn động, bao gồm tốc độ, lực kéo và công suất. Điều này đảm bảo rằng hệ thống có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau.

3.2. Lựa Chọn Động Cơ Phù Hợp

Việc lựa chọn động cơ là một yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ dẫn động. Động cơ cần phải đáp ứng được yêu cầu về công suất và tốc độ, đồng thời phải có độ bền cao để đảm bảo hoạt động lâu dài.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hệ Dẫn Động Trong Kho Hàng

Hệ dẫn động cho kho hàng tự động đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất đến phân phối. Các doanh nghiệp đã ghi nhận sự cải thiện đáng kể trong hiệu quả hoạt động và giảm thiểu chi phí nhờ vào việc tự động hóa kho hàng.

4.1. Cải Thiện Hiệu Quả Quản Lý Kho

Hệ thống kho hàng tự động giúp cải thiện đáng kể hiệu quả quản lý kho. Các doanh nghiệp có thể theo dõi hàng hóa một cách chính xác và nhanh chóng, từ đó giảm thiểu sai sót trong quá trình xuất nhập hàng.

4.2. Giảm Chi Phí Vận Hành

Việc tự động hóa kho hàng giúp giảm chi phí vận hành bằng cách giảm thiểu số lượng nhân công cần thiết. Điều này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao năng suất làm việc.

V. Kết Luận Về Thiết Kế Hệ Dẫn Động Cho Kho Hàng Tự Động

Thiết kế hệ dẫn động cho kho hàng tự động là một lĩnh vực đầy tiềm năng và thách thức. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, việc áp dụng các giải pháp tự động hóa sẽ ngày càng trở nên phổ biến và cần thiết trong ngành logistics.

5.1. Tương Lai Của Hệ Thống Kho Hàng Tự Động

Tương lai của hệ thống kho hàng tự động hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến về công nghệ và hiệu suất. Các giải pháp mới sẽ giúp tối ưu hóa quy trình lưu trữ và lấy hàng, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động.

5.2. Khuyến Nghị Đối Với Doanh Nghiệp

Doanh nghiệp nên xem xét đầu tư vào hệ thống kho hàng tự động để nâng cao hiệu quả hoạt động. Việc áp dụng công nghệ mới không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn tạo ra lợi thế cạnh tranh trong thị trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lưu trữ và quản lý hàng hóa trong các nhà kho truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế về diện tích mặt bằng, khả năng phân loại hàng hóa, điều kiện bảo quản cũng như mức độ kiểm soát số lượng vật tư xuất nhập. Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu chuyển dịch sang các hệ thống kho hàng tự động nhằm tối ưu hóa không gian lưu trữ và cắt giảm chi phí vận hành ngày càng trở nên cấp thiết. Tại Việt Nam, việc ứng dụng tự động hóa và các hệ thống xe tự hành vào sản xuất và kho vận đã bắt đầu được triển khai nhưng vẫn còn ở giai đoạn tiếp cận ban đầu, đòi hỏi kỹ sư ngành Cơ điện tử phải nắm vững quy trình phân tích động học, tính toán động lực học và thiết kế chế tạo hệ thống dẫn động cơ khí chuyên dụng.

Đề tài "Thiết kế hệ dẫn động cho kho hàng tự động" được thực hiện dưới dạng đồ án môn học Thiết kế hệ thống cơ khí (mã học phần ME4506, mã đề VCK04-...), thuộc Trường Cơ khí – Đại học Bách khoa Hà Nội, học kỳ 2023.1, năm học 2022-2023 do sinh viên Lê Hoàng Anh thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Cao Xuân Bình.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản phân định theo 4 nhóm nội dung chính:

1. Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật: Tổng quan về hệ thống kho hàng tự động, làm rõ nguyên lý hoạt động, xác định các thành phần cơ bản và các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống.
2. Tính toán và thiết kế hệ thống: Tính toán động học, tính toán thiết kế các bộ truyền cơ khí (bộ truyền bánh răng, bộ truyền bánh răng - thanh răng, bộ truyền xích), và tính chọn công suất động cơ dẫn động.
3. Thiết kế chi tiết và xây dựng bản vẽ lắp: Thiết lập bản vẽ lắp 2D/3D cho hệ dẫn động cụm xe nâng và cụm xe di chuyển; lập bản vẽ chế tạo cho 1 chi tiết cơ khí.
4. Mô phỏng nguyên lý hoạt động: Kiểm chứng động học của hệ thống thông qua mô phỏng.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống dẫn động cơ khí của mô hình kho hàng tự động ba bậc tự do độc lập (nâng hạ theo trục đứng, di chuyển tịnh tiến theo phương ngang và chuyển động lăn đưa hàng vào giá kệ).

Phạm vi nghiên cứu được xác định cụ thể theo các thông số giới hạn:

• Thời gian phục vụ danh định của hệ thống: $l_h = 18000$ giờ.
• Đặc tính tải trọng: Tải trọng tĩnh kèm va đập nhẹ (VĐN).
• Không gian làm việc: Chiều cao tối đa của hệ thống giá kệ $H_{max} = 3200$ mm; kích thước cụm xe nâng gồm chiều dài $L = 1300$ mm, chiều cao $h = 325$ mm; kích thước xe di chuyển gồm chiều dài $L_1 = 1000$ mm, chiều dài phần đặt hàng $L_2 = 700$ mm.
• Tải trọng thiết kế: Trọng lượng tối đa của cụm xe nâng $G_n = 195$ kg; trọng lượng tối đa của kiện hàng kết hợp xe di chuyển ngang $G_d = 70$ kg.
• Vận tốc công tác: Vận tốc nâng $V_n = 2,2$ m/ph; vận tốc di chuyển ngang $V_x = 5,0$ m/ph.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết tổng quát của đồ án dựa trên nguyên lý của hệ thống lưu trữ và truy xuất tự động ASRS (Automated Storage & Retrieval System). Về mặt kiến trúc tổng thể, hệ thống ASRS được cấu thành từ hai phân hệ:

• Phân hệ phần mềm: Gồm phần mềm quản lý điều khiển robot xuất nhập hàng (Crane Control Software) và phần mềm quản lý kho (Warehouse Management Software), tích hợp công nghệ nhận dạng mã vạch (Barcode) hoặc thẻ từ nhận dạng tần số vô tuyến (Transponder).
• Phân hệ phần cứng: Bao gồm hệ thống giá kệ tĩnh cố định (Static Racking), robot lấy cất hàng tự động và hệ thống cửa xuất nhập tự động (Automated Doors).

Về mặt cơ sở tính toán kỹ thuật cơ khí, tác giả áp dụng phương pháp thiết kế chi tiết máy truyền thống theo giáo trình hướng dẫn tính toán hệ dẫn động cơ khí của Trịnh Chất và Lê Văn Uyển:

• Thiết lập phương trình cân bằng tĩnh học Descartes trên hệ tọa độ không gian $Oxyz$ để giải bài toán phân bố lực, mô-men lật và phản lực pháp tuyến tại các điểm tỳ con lăn.
• Phương pháp tính toán động học và phân phối tỷ số truyền qua hệ dẫn động nhiều cấp.
• Phương pháp tính toán độ bền mỏi tiếp xúc và độ bền mỏi uốn của bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng và bộ truyền bánh răng - thanh răng dựa trên các chu trình ứng suất cơ sở $N_{HO}$, $N_{FO}$ và chu trình chịu tải tương đương $N_{HE}$, $N_{FE}$.

Nguồn dữ liệu tính toán sử dụng hệ thống số liệu cho trước từ đề bài mã VCK04-..., kết hợp với các bảng tra cứu hệ số tải trọng, chỉ số cơ lý tính vật liệu (thép C45 tôi cải thiện, thép 45 thường hóa, thép góc cán nóng chữ V), các bảng hiệu suất cơ cấu nối trục, ổ lăn, bộ truyền bánh răng và bảng thông số danh định của các dòng động cơ điện tiêu chuẩn.

Thiết kế và triển khai hệ dẫn động kỹ thuật

Hệ thống dẫn động được tổ chức theo hệ tọa độ Descartes $Oxyz$ với gốc tọa độ $O$ đặt tại góc chân cột sát mặt nền cố định:

• Trục $Oz$ (phương thẳng đứng): Dẫn động nâng - hạ cụm xe nâng và kiện hàng.
• Trục $Ox$ (phương ngang): Dẫn động dịch chuyển tịnh tiến của cụm xe mang hàng tiếp cận các ngăn kệ.
• Trục $Oy$ (phương chiều sâu): Dẫn động hệ con lăn đưa hàng trực tiếp vào từng ô lưu trữ.

Cơ cấu và thiết bị của hệ thống dẫn động gồm 19 thành phần được chuẩn hóa sơ đồ động học:

1. Hộp giảm tốc 2 cấp của cơ cấu nâng.
2. Hệ thống con lăn dẫn hướng giữ xe nâng.
3. Bộ truyền bánh răng - thanh răng.
4. Động cơ điện truyền động nâng.
5. Hộp giảm tốc 2 cấp của xe di chuyển.
6. Bộ truyền xích của xe di chuyển ngang.
7. Hệ con lăn di chuyển hàng trên xe.
8. Bánh xe di chuyển ($d_8 = 140$ mm).
9. Kết cấu khung nâng.
10. Phần ray nới rộng hành trình xe di chuyển.
11. Xe di chuyển ngang.
12. Kiện hàng lưu trữ.
13. Bộ truyền xích dẫn động con lăn.
14. Thanh răng và cột dẫn hướng đứng.
15. Động cơ điện dẫn động cụm xe di chuyển.
16. Động cơ điện dẫn động hệ con lăn.
17. Khớp nối trục động cơ nâng và hộp giảm tốc 1.
18. Khớp nối trục động cơ di chuyển và hộp giảm tốc 5.
19. Cụm đĩa xích truyền động các con lăn.

Hệ thống khung kho được tính toán chế tạo từ thép góc chữ V kích thước $30 \times 30 \times 5$ mm ghép nối bằng mối hàn điện. Khoảng cách gần nhất từ tâm xe tới cột đứng đạt $x_0 = 260$ mm. Hệ khung được chia thành 2 cột chứa hàng, mỗi cột rộng 470 mm, bố trí 5 tầng chứa (tổng quy mô 10 ô lưu trữ). Đáy mỗi ô chứa được trang bị hệ thống 7 con lăn nhông đôi đường kính $d_7 = 42$ mm nhằm hỗ trợ quá trình trượt đẩy kiện hàng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật

Chương 1 hệ thống hóa tổng quan về nhà kho tự động và phân tích đối chiếu với kho bãi truyền thống. Tác giả chỉ ra các điểm nghẽn của kho thủ công như mật độ lưu trữ thấp, chiếm dụng nhiều diện tích đất xây dựng, khó phân loại các chủng loại hàng hóa và chi phí vận hành nhân công cao.

Nội dung chương tập trung làm rõ ưu thế kỹ thuật của hệ thống ASRS:

• Đạt mật độ lưu trữ tối ưu nhờ khả năng tận dụng triệt để chiều cao nhà xưởng và thu hẹp tối đa làn chạy của robot.
• Tốc độ trung bình đạt xấp xỉ 1 tấn hàng/phút cho mỗi robot.
• Ứng dụng công nghệ chuyển đường ray, cho phép 1 robot bao quát toàn bộ nhà kho.
• Cắt giảm hệ thống chiếu sáng nội khu, hạn chế tối đa việc thất thoát nhiệt lượng qua cửa ra vào và nền xưởng, phù hợp với kho lạnh công nghiệp.
• Vận hành tự động không cần sự hiện diện trực tiếp của con người trong khu vực lưu trữ hàng.

Về nguyên lý chu trình công tác, hệ thống phối hợp ba chuyển động độc lập:

1. Xe nâng tiếp nhận hàng hóa tại điểm xuất/nhập, cơ cấu nâng (1) đưa toàn bộ hệ thống lên cao độ tầng chỉ định dọc theo trục $Oz$.
2. Xe di chuyển (2) thực hiện chuyển động tịnh tiến theo phương ngang dọc trục $Ox$ để đưa hàng vào đúng vị trí tọa độ của cột kệ chứa.
3. Khi tiếp cận chính xác vị trí ô chứa, hệ con lăn chuyển hàng (3) gắn trên mặt sàn xe quay quanh trục $Oy$ để đẩy kiện hàng vào sâu bên trong kho.

Chương này cũng thiết lập sơ đồ động học hoàn chỉnh bổ sung 5 phần tử còn thiếu từ đầu bài gốc (gồm động cơ 15, động cơ 16, cụm nối trục 17, cụm nối trục 18, cụm đĩa xích 19) và quy chiếu toàn bộ kết cấu lên hệ tọa độ không gian $Oxyz$.

Chương 2: Tính toán và thiết kế trong hệ thống cơ khí

Chương 2 trình bày chi tiết toàn bộ các bước tính toán thiết kế động học, động lực học và độ bền chi tiết máy cho các phân hệ của kho hàng tự động:

1. Tính toán kết cấu khung kho chứa kiện hàng

Dựa vào không gian làm việc hình chữ nhật $I_1I_2I_3I_4$ được giới hạn bởi hành trình nâng hạ và vươn xa của xe, tác giả xác định:

• Vật liệu khung: Thép góc $V30 \times 30 \times 5$, liên kết hàn.
• Quy mô: 2 cột chứa hàng, bề rộng mỗi cột là 470 mm.
• Số tầng: 5 tầng chứa, chiều cao mỗi tầng được tính toán đảm bảo điều kiện làm việc $h_c > h_k$.
• Đáy sàn ô chứa: Lắp đặt 7 con lăn dẫn động nhông đôi đường kính $d_7 = 42$ mm.

2. Thiết kế hệ thống nâng hạ theo phương Oz

• Tính toán lực: Thiết lập cân bằng mô-men xoắn tại điểm $A$ trên trục nâng, tính được lực pháp tuyến ép lên con lăn khử lật $N = 6572,7$ N (với gia tốc trọng trường $g = 9,81$ m/s²). Với hệ số ma sát lăn có bôi trơn giữa thép và thép $f = 0,089$, lực ma sát cản đạt $F_{ms} = 584,97$ N. Tổng lực cản của hệ thống nâng gồm trọng lực và lực ma sát: $F_{cn} = 3519,828$ N. Lực kéo phát động yêu cầu $F_{tn} > 3519,828$ N.
• Công suất và động cơ: Công suất tĩnh trên trục làm việc $P_{lv} = (F_{tn} \cdot V_n) / (60 \cdot 1000) = (3519,828 \cdot 2,2) / 60000 = 0,129$ kW. Hiệu suất truyền động tổng $\eta = \eta_k^2 \cdot \eta_{ol}^3 \cdot \eta_{br}^2 = 0,99^2 \cdot 0,995^3 \cdot 0,98^2 \approx 0,91$. Số vòng quay trục công tác $n_{lv} = (60000 \cdot V_n) / (\pi \cdot d_3) = (60000 \cdot 2,2) / (\pi \cdot 180) = 3,892$ vòng/phút. Chọn tỷ số truyền sơ bộ của hộp giảm tốc hai cấp $u_{sb} = 24$, số vòng quay sơ bộ động cơ $n_{sb} = 93,408$ vòng/phút. Động cơ được chọn là loại động cơ giảm tốc 3 pha 0,25 HP cốt 22 mm chân đế, công suất danh nghĩa $P_{dc} = 0,20$ kW, tốc độ $n_{dc} = 93$ vòng/phút, đường kính trục $d_{dc} = 22$ mm.
• Phân phối tỷ số truyền: Cấp nhanh $u_1 = 6,86$; cấp chậm $u_2 = 3,50$.

Thông số	Trục động cơ	Trục I	Trục II	Trục III	Trục công tác
Tỷ số truyền ($u$)	1	1	6,86	3,50	1
Tốc độ quay ($n$, vg/ph)	93	93	13,56	3,87	3,87
Công suất ($P$, kW)	0,20	0,19701	0,1921	0,1873	0,1836
Mô-men xoắn ($T$, Nmm)	20537,63	19726,40	135291,67	453069,77	453069,76

• Thiết kế bộ truyền bánh răng cấp 1: Bánh nhỏ và bánh lớn làm bằng thép C45 tôi cải thiện, độ rắn tương ứng 285 HB và 240 HB; giới hạn bền $\sigma_b$ tương ứng 850 MPa và 750 MPa; ứng suất tiếp xúc cho phép $[\sigma_H] = 500$ MPa; khoảng cách trục thiết kế $a_w = 142$ mm; mô-đun pháp $m = 2$ mm; số răng $Z_1 = 18$, $Z_2 = 124$; tỷ số truyền thực tế $u_t = 6,88$ (sai lệch $0,29% < 4%$); góc ăn khớp $\alpha_{tw} = 20^\circ$; hệ số dịch chỉnh $x_1 = x_2 = 0$; chiều rộng vành răng $b = 35$ mm.
• Thiết kế bộ truyền bánh răng cấp 2: Vật liệu thép C45 tôi cải thiện; khoảng cách trục $a_w = 180$ mm; mô-đun $m = 2$ mm; góc ăn khớp $20^\circ$; số răng $Z_1 = 40$, $Z_2 = 140$; chiều rộng vành răng $b = 54$ mm.
• Thiết kế bộ truyền bánh răng - thanh răng: Bánh răng thép 45 tôi cải thiện (200 HB), thanh răng thép 45 thường hóa (190 HB, $\sigma_{b2} = 600$ MPa, $\sigma_{ch2} = 340$ MPa); ứng suất tiếp xúc cho phép $[\sigma_H] = 427$ MPa; khoảng cách trục tương đương $a_w = 100$ mm; mô-đun $m = 2$ mm; số răng bánh dẫn $z_1 = 100$; góc nghiêng răng $\beta = 0^\circ$; chiều rộng vành răng $b = 38,4$ mm; đường kính vòng chia $d = 100$ mm; đường kính đỉnh răng $d_a = 102,5$ mm; đường kính chân răng $d_f = 98,125$ mm.

3. Thiết kế hệ thống di chuyển hàng theo phương Ox

• Cân bằng tải trọng và lực kéo: Tổng trọng lượng cụm xe và kiện hàng $G_d = 70$ kg tựa lên 4 bánh xe cao su di chuyển trên ray thép, phản lực trên mỗi bánh xe đạt $N = (G_d \cdot g) / 4 = (70 \cdot 9,81) / 4 = 171,675$ N. Hệ số ma sát giữa bánh cao su và thanh ray thép lấy $f = 0,8$. Tổng lực ma sát cản lăn trên 4 bánh: $F_{ms} = 0,8 \cdot 4 \cdot 171,675 = 549,36$ N. Lực kéo phát động yêu cầu $F_k = 549,36$ N.
• Công suất kéo yêu cầu: $P_{tt} = (F_k \cdot V_x) / (60 \cdot 1000) = (549,36 \cdot 5,0) / 60000 = 0,046$ kW. Hiệu suất dẫn động $\eta = \eta_k \cdot \eta_{ol}^5 \cdot \eta_{br}^2 \cdot \eta_x^2 = 0,99 \cdot 0,995^5 \cdot 0,98^2 \cdot 0,95^2 = 0,837$. Công suất yêu cầu trên trục động cơ $P_{yc} = 0,046 / 0,837 = 0,055$ kW.
• Tốc độ và tỷ số truyền: Vận tốc góc trục bánh xe ($d_8 = 140$ mm) là $n_{lv} = (60000 \cdot 5,0) / (\pi \cdot 140) = 11,37$ vòng/phút. Tỷ số truyền hộp giảm tốc chọn sơ bộ $u_{hgt} = 18$, tỷ số truyền bộ truyền xích $u_x = 3,3$, tạo ra tỷ số truyền tổng $u_{sb} = 18 \cdot 3,3 = 59,4$. Tốc độ quay sơ bộ của động cơ: $n_{sb} = 11,37 \cdot 59,4 = 675,378$ vòng/phút.
• Chọn động cơ điện: Chọn động cơ điện 3 pha không đồng bộ ký hiệu 4A80B8Y3 có công suất danh định $P_{dc} = 0,55$ kW, tốc độ quay thực tế $n_{dc} = 675$ vòng/phút, hiệu suất định mức $\eta = 64%$.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn chuỗi bài toán tính toán cơ học hệ dẫn động cho mô hình kho hàng tự động dựa trên các thông số vận hành xác định:

Hạng mục thiết kế	Cụm cơ cấu nâng ($Oz$)	Cụm xe di chuyển ngang ($Ox$)
Lực kéo / Lực cản tính toán	$F_{tn} > 3519,83$ N	$F_k = 549,36$ N
Công suất công tác tĩnh ($P_{lv}$)	$0,129$ kW	$0,046$ kW
Hiệu suất hệ dẫn động ($\eta$)	$0,910$	$0,837$
Công suất động cơ lựa chọn	$0,20$ kW (Động cơ giảm tốc 0,25 HP)	$0,55$ kW (Động cơ 4A80B8Y3)
Tốc độ quay danh định động cơ	$93$ vòng/phút	$675$ vòng/phút
Cơ cấu truyền động chính	HGT bánh răng trụ 2 cấp ($u=24$) + Thanh răng	HGT 2 cấp ($u=18$) + Bộ truyền xích ($u=3,3$)
Kích thước bộ truyền	Cấp 1: $a_w = 142$ mm; Cấp 2: $a_w = 180$ mm	Bộ truyền xích con lăn và bánh xe $d_8 = 140$ mm

Các đóng góp và giải pháp kỹ thuật do tác giả trực tiếp thực hiện bao gồm:

• Hoàn thiện sơ đồ động học hệ thống bằng cách bổ sung 5 cụm cơ cấu truyền lực chưa được định danh trong đề bài ban đầu (động cơ 15, động cơ 16, các nối trục di động 17, 18 và cơ cấu đĩa xích 19).
• Đưa ra mô hình giải tích cân bằng mô-men lật tại điểm $A$, cho phép tính chính xác áp lực nén lên các con lăn đỡ ray ($6572,7$ N) khi xe vươn xa tới vị trí giới hạn $L = 1300$ mm, đảm bảo an toàn kết cấu chống lật.
• Xác lập kích thước kết cấu khung kho chứa bằng thép góc $V30 \times 30 \times 5$ mm với bố cục 2 cột, 5 tầng, tích hợp 7 con lăn sàn nhông đôi đường kính $42$ mm trên mỗi ngăn chứa, đồng thời kiến nghị sử dụng chung động cơ dẫn động sàn với động cơ 15 của xe di chuyển nhằm tối ưu hóa chủng loại thiết bị.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của tài liệu:

• Do là đồ án môn học kỹ thuật đầu tay, tác giả tự nhận định còn thiếu kinh nghiệm thực tế trong việc tối ưu hóa kết cấu và lựa chọn giải pháp không gian nhỏ gọn nhất.
• Thuyết minh dừng lại ở việc tính toán công suất trục của cụm di chuyển $Ox$ mà chưa triển khai đầy đủ phần tính toán thiết kế chi tiết bộ truyền xích 13, tính nghiệm bền trục, then và chọn ổ lăn cho cụm $Ox$ cũng như cụm con lăn $Oy$.
• Thiếu các nội dung liên quan đến bản vẽ lắp 2D/3D chi tiết, bản vẽ chế tạo 1 chi tiết cơ khí và mô phỏng động học hệ thống như yêu cầu đặt ra trong đề bài.

Hướng phát triển tiếp theo:

• Hoàn thiện toàn bộ các bước tính nghiệm bền cơ học chi tiết cho cụm truyền động xích, hệ trục và then của xe di chuyển ngang.
• Ứng dụng phần mềm CAD/CAE chuyên ngành để xây dựng mô hình lắp ghép 3D hoàn chỉnh và tiến hành mô phỏng động học, động lực học nhằm kiểm chứng va đập và dao động khi hệ thống làm việc ở các tốc độ danh định.

Giá trị tham khảo

Đồ án có giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Cơ điện tử đang thực hiện đồ án Thiết kế hệ thống cơ khí (ME4506) hoặc đồ án tốt nghiệp liên quan đến hệ thống máy nâng chuyển, thiết bị vận chuyển kho tự động và robot kho bãi.
• Tài liệu học thuật tham khảo trực tiếp cho các phương pháp phân tích lực phân bố trên kết cấu xe nâng có tay với xa chịu tải trọng tĩnh lệch tâm, phương pháp tính chọn động cơ giảm tốc tích hợp và quy trình tính toán cặp bánh răng trụ răng thẳng theo tiêu chuẩn mỏi tiếp xúc và mỏi uốn.

Câu hỏi thường gặp

1. Các thông số tải trọng và kích thước hình học chính cho trước của cơ cấu nâng và xe di chuyển là gì?
Trọng lượng tối đa của cụm xe nâng là $G_n = 195$ kg với chiều dài $L = 1300$ mm, chiều cao $h = 325$ mm và vận tốc nâng $V_n = 2,2$ m/ph. Trọng lượng tối đa của kiện hàng kết hợp xe di chuyển ngang là $G_d = 70$ kg với chiều dài xe $L_1 = 1000$ mm, chiều dài sàn đặt hàng $L_2 = 700$ mm, đường kính bánh xe di chuyển $d_8 = 140$ mm và vận tốc di chuyển $V_x = 5,0$ m/ph.

2. Động cơ điện nào được chọn cho cụm cơ cấu nâng hạ theo trục Oz?
Tác giả chọn loại động cơ giảm tốc 3 pha công suất 0,25 HP chân đế với trục cốt đường kính 22 mm, công suất danh nghĩa $P_{dc} = 0,20$ kW, số vòng quay danh định $n_{dc} = 93$ vòng/phút, đáp ứng công suất yêu cầu trên trục công tác là $0,129$ kW với hiệu suất dẫn động $\eta = 0,91$.

3. Khung kho lưu trữ được thiết kế với kết cấu, quy mô và vật liệu như thế nào?
Khung kho được gia công từ thép góc chữ V kích thước $30 \times 30 \times 5$ mm bằng phương pháp hàn, có khoảng cách an toàn tới cột đứng $x_0 = 260$ mm. Toàn bộ khung gồm 2 cột chứa hàng, mỗi cột rộng 470 mm và chia làm 5 tầng (tổng cộng 10 ô chứa). Đáy mỗi ô chứa được bố trí 7 con lăn nhông đôi đường kính $d_7 = 42$ mm để trượt đẩy kiện hàng.

4. Động cơ dẫn động cụm xe di chuyển ngang theo trục Ox có ký hiệu và thông số kỹ thuật ra sao?
Động cơ được tính chọn có ký hiệu 4A80B8Y3, công suất danh nghĩa $P_{dc} = 0,55$ kW, số vòng quay thực $n_{dc} = 675$ vòng/phút, hiệu suất danh định $\eta = 64%$, thỏa mãn công suất yêu cầu $P_{yc} = 0,055$ kW khi khắc phục lực cản ma sát lăn $F_{ms} = 549,36$ N từ 4 bánh xe cao su trên ray thép.

5. Các thông số hình học và cơ lý tính của bộ truyền bánh răng - thanh răng trên cơ cấu nâng hạ là gì?
Bộ truyền sử dụng thanh răng bằng thép 45 thường hóa (độ cứng 190 HB, $\sigma_b = 600$ MPa, $\sigma_{ch} = 340$ MPa) và bánh răng bằng thép 45 tôi cải thiện (độ cứng 200 HB). Các thông số hình học gồm: mô-đun $m = 2$ mm, góc nghiêng răng $\beta = 0^\circ$, số răng bánh dẫn $z_1 = 100$, khoảng cách trục quy đổi $a_w = 100$ mm, chiều rộng vành răng $b = 38,4$ mm, đường kính vòng lăn $d_{w1} = 100$ mm và ứng suất tiếp xúc cho phép $[\sigma_H] = 427$ MPa.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ dẫn động cho kho hàng tự động" của sinh viên Lê Hoàng Anh đã hệ thống hóa cơ sở kỹ thuật của hệ thống lưu trữ ASRS và giải quyết bài toán tính toán động học, động lực học cho hệ dẫn động cơ khí ba chiều độc lập. Tác giả đã hoàn thiện việc tính chọn động cơ, phân phối tỷ số truyền và thiết kế chi tiết các bộ truyền bánh răng cấp 1, bánh răng cấp 2, bộ truyền bánh răng - thanh răng cùng kết cấu khung giá kệ 10 ô chứa. Mặc dù thuyết minh còn thiếu phần kiểm nghiệm trục, bộ truyền xích và bản vẽ chế tạo, tài liệu vẫn là nguồn tham chiếu chuẩn mực về quy trình tính toán cơ khí cho các hệ thống máy nâng chuyển và xe tự hành phục vụ kho vận thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT 1. Tổng quan về hệ thống dẫn động cho kho hàng tự động 1. Tìm hiểu chung về hệ thống kho hàng tự động Nền công nghiệp nước ta nói riêng và các nước trên thế giới nói chung đang phát triển mạnh mẽ. Ngày trước, sản phẩm được tạo ra một cách thủ công nên việc mang sản phẩm ra vào kho chủ yếu được thực hiện bằng sức người, do đó không tận dụng hết được các khoảng không gian,, sức chứa của kho hàng, việc quản lý hàng hóa kém hiệu quả cũng như tốn nhiều diện tích đất làm nhà kho chứa hàng.

Trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày nay sản xuất ngày càng phát triển, hàng hóa làm ra càng nhiều đáp ứng nhu cầu tiêu dùng cho xã hội. Từ đó đã nảy sinh cần có những kho hàng hiện đại đáp ứng yêu cầu của sản xuất và khác phục được hạn chế của các kho hàng cũ. Hiện tại trên thế giới có nhiều hệ thống lưu trữ hàng hóa, các hệ thống này rất đa dạng, phong phú về thiết bị cũng như cách thức thực hiện. Nhưng trong đó chủ yếu là sử dụng nhân công để bốc dỡ hàng hóa, các thiết bị bốc dỡ hàng là các máy nâng sử dụng người lái để sắp xếp hàng hóa vào kho.

Nhìn chung, các nhà kho hiện nay có nhược điểm như sau: - Sử dụng nhiều diện tích để chứa hàng hóa. - Không phân loại được các hàng hóa khác nhau (các hàng hóa thường để chung với nhau trong 1 kho). - Không bảo quản tốt hàng hóa khi số lượng nhiều (Chất chồng lên nhau). - Rất khó kiểm soát số lượng hàng hóa ra vào trong kho.

Với sự ra đời của các hệ thống xếp hàng tự động, người ta có thể quản lý tốt hàng hóa cũng như nhanh chóng trong việc lưu trữ và xuất hàng hóa ra khỏi kho, các hệ thống kho tự động được sử dụng robot để vận chuyển hàng hóa, điều này đồng nghĩa với việc đầu tư trang thiết bị hiện đại cho hệ thống kho tốn khá nhiều chi phí cho việc chuyển hàng hóa nhưng bù lại là hàng hóa được bảo quản tốt, thuận tiện cho việc quản lý và kiểm soát, tiết kiệm được nhân công. 7 Dưới đây là một vài hình ảnh về thiết bị bốc dỡ cơ bản hiện nay: Hình 1. Các thiết bị bốc dỡ cơ bản hiện nay 1. Tìm hiểu về hệ thống lấy cất hàng tự động ARSR (Automated Storage & Retrieval System) Đây là một hệ thống lấy cất hàng hóa tự động với công nghệ hiện đại, được sử dụng trong các nhà kho hoàn toàn tự động.

Hệ thống gồm có 2 phần chính: phần mềm và phần cứng. - Phần mềm gồm có phần mềm quản lý các robot lấy cất hàng (Crane Control Software) và phần mềm quản lý hàng hóa (Warehouse Management Software). - Phần cứng bao gồm các hệ thống giá kệ cố định (Static Racking), các robot lấy cất hàng (Crane Control Software), hệ thống các cửa tự động xuất nhập hàng (Automated Doors). Giải pháp này được đánh giá là tối ưu cho các kho hàng đông lạnh do những ưu điểm và mức đầu tư hợp lý mà giải pháp này mang lại như: 8 - Mật độ lưu trữ cao: do giải pháp này tận dụng được chiều cao và đường chạy của robot nhỏ nên diện tích sử dụng sẽ ít hơn những giải pháp khác, so sánh trên cùng khả năng lưu trữ giúp tiết kiệm chi phí đầu tư cho diện tích sử dụng, xây dựng và hệ thống lạnh.

- Tốc độ xuất nhập cao: trung bình 1 tấn hàng/ phút/ robot. - Công nghệ chuyển đường cho phép chỉ cần một robot cho một nhà kho giúp tiết kiệm đáng kể chi phí đầu tư. - Không cần hệ thống chiếu sáng,do đó tiết kiệm chi phí đầu tư hệ thống chiếu sáng, chi phí bảo trì, chi phí vận hành. - Thất thoát nhiệt thấp: thất thoát nhiệt xuống đất, qua các cửa ra vào, bù nhiệt cho hệ thống chiếu sáng là những nguồn thất thoát nhiệt chính trong các kho lạnh.

Sử dụng diện tích nhỏ hơn các giải pháp khác nên thất thoát nhiệt xuống đất sẽ thấp hơn. Ngoài ra với hệ thống cửa ra vào tự động và có phòng cách ly nên thất thoát nhiệt sẽ là rất thấp, giảm thời gian xả đá của hệ thống lạnh. - Không sử dụng lao động trong kho: tiết kiệm chi phí nhân công, quản lý, báo 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) giúp giảm chi phí quản lý và nhân công, đồng thời cũng dễ dàng đạt được các tiêu chuẩn ISO để tạo lợi thế cạnh tranh.

Mô hình nhà kho có khả năng lưu trữ cao nhưng tốc độ thấp thích hợp cho các nhà máy mà sản phẩm của họ được sản xuất với năng suất cao, số lượng lớn.2 Kho ASRS có tốc độ nhập hàng rất nhanh Đối với các nhà máy chỉ sản xuất một sản phẩm thì hệ thống băng chuyền chỉ đơn thuần phân phối sản phẩm cho các robot một cách tối ưu. Nhưng với những nhà máy sản xuất nhiều loại sản phẩm cùng lúc thì hệ thống băng chuyền còn thực hiện phân loại sản phẩm vào khu vực thích hợp. Nguyên lý hoạt động Hệ thống gồm 3 thành phần chuyển động độc lập chính bao gồm: - Cơ nấu nâng (1) - Chuyển động tịnh tiến của xe (2) - Con lăn chuyển hàng (3) Thêm vào đó có thêm 1 bộ phận khung kho chứa các kiện hàng. Nguyên lý hoạt động của hệ như sau: Đầu tiên xe lấy hàng và được nâng đến tầng được yêu cầu thông qua cơ cấu nâng (1), tiếp đó xe di chuyển vào kho nhờ chuyển động tịnh tiến của xe (2), khi đến nơi, hàng hóa trên xe được xếp vào kho thông qua con lăn chuyển hàng gắn trên xe (3).

*Thông số quan trọng của hệ thống: 1. Thời hạn phục vụ: lh = 18000(h) 2. Đặc tính tải trọng: VĐN Cụm xe nâng: 10 3. Đường kính lăn bánh răng 3 d3 = 180(mm) 4.

Chiều cao xe nâng h = 325(mm) 5. Chiều dài xe nâng L =1300(mm) 6. Vận tốc nâng Vn = 2,2 (m/ph) 7. Trọng lượng tối đa của xe nâng (1, 2, 3, 4, 9) Gn = 195(kg) Cụm xe di chuyển: 8.

Trọng lượng tối đa của hàng và xe di chuyển ngang (5,6,7,8,11,12,13) Gd = 70(kg) 9. Đường kính bánh xe 8 d8 = 140(mm) 10. Vận tốc xe di chuyển hàng Vx = 5,0(m/ph) 11. Chiều dài xe di chuyển L1 = 1000(mm) 12.

Chiều dài phần đặt hàng trên xe L2 = 700(mm) 13. Bộ truyền xích 14. Thanh răng và cột dẫn hướng 1. Xác định các thành phần của hệ thống dẫn động 1.

Sơ đồ động học của hệ thống a. Bổ xung hoàn chỉnh sơ đồ Nhận thấy sơ đồ động học ban đầu còn có một số phần tử, thiết bị chưa được đánh số xác định. Sau khi kiểm tra, em xin đưa ra sơ đồ động học đã được bổ sung như sau: 11 Cụ thể các chi tiết được bổ sung là: - Động cơ 15 dẫn động cho hộp giảm tốc 5 của xe di chuyển - Động cơ 16 dẫn động cho bộ truyền xích 13 - Cụm nối trục 17, cụm này nối trục chuyển động của hộp giảm tốc 1 với động cơ 4 - Cụm nối trục 18, cụm này nối trục chuyển động của hộp giảm tốc 5 với động cơ 15 - Cụm đĩa xích truyền động các con lăn, cụm này kí hiệu thứ tự 19 Kết hợp với những phần đã bổ sung, thứ tự các phần tử và thiết bị đã được kí hiệu từ đề bài như sau: 1- HGT (cơ cấu nâng); 12 2- Hệ thống con lăn giữ xe nâng; 3- Hệ bánh răng- thanh răng; 4- Động cơ số 4; 5- HGT (xe di chuyển); 6- Bộ truyền xích; 7- Hệ con lăn di chuyển hàng; 8- Bánh xe; 9- Hệ thống nâng; 10- Phần ray nới rộng khoảng di chuyển của xe 11; 11- Xe di chuyển; 12- Hàng hóa; 13- Bộ truyền xích; 14- Thanh răng và cột dẫn hướng. Thiết lập hệ tọa độ Để tiện lợi cho việc xác định phương, chiều khi tính toán, ta gắn hệ toạ độ Descartes Oxyz vào sơ đồ như sau (H1.3): - Gốc tọa độ O gắn vào góc chân cột sát mặt nền cố định; - Trục Oz thẳng đứng, song song với đường tâm trục cột 14; - Trục Ox hướng sang phải; - Trục Oy hướng vào trong.2- Hệ toạ độ Oxz 14 Hình 1.3- Hệ toạ độ Oxy 1.2 Trình bày các bộ phận chính của hệ thống Hệ thống kho hàng tự động bao gồm 4 bộ phận: - Bộ phận dẫn động kiện hàng 12 theo phương Oz - Bộ phận dẫn động xe di chuyển ngang 11 theo phương Ox - Bộ phận dẫn động kiện hàng 12 theo phương Oy - Bộ phận khung kho chứa các kiện hàng a.

Cụm dẫn động nâng kiện hàng theo phương Oz Bao gồm các thành phần: 1, 2, 3, 4, 9, 14, 17; cụ thể là: 1- HGT 2 cấp; 2- Hệ thống con lăn giữ xe; 3- Hệ bánh răng, thanh răng; 4- Động cơ; 9- Hệ thống nâng; 14- Cột dẫn hướng; 17- Cụm nối trục. Cụm dẫn động di chuyển kiện hàng theo phương Ox Bao gồm các thành phần: 5, 6, 8, 11, 15, 18; cụ thể là: 5- HGT 2 cấp; 6- Bộ truyền xích; 8- Bánh xe; 11- Xe di chuyển; 15- Động cơ; 18- Cụm nối trục. Cụm dẫn động di chuyển kiện hàng theo phương Oy Bao gồm các thành phần: 7, 13, 16, 19; cụ thể là: 7 - Hệ con lăn di chuyển hàng; 13- Bộ truyền xích; 16- Động cơ; 19- Cụm đĩa xích truyền động. Khung kho chứa các kiện hàng Hệ khung kho là nơi chứa các kiện hàng: Kiện hàng 12 15 CHƯƠNG 2.

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRONG HỆ THỐNG CƠ KHÍ 2. Khung kho chứa các kiện hàng 2. Yêu cầu kỹ thuật Số liệu chung - Chiều cao tối đa của kệ hàng: 𝐻𝑚𝑎𝑥 = 3200 (mm, cho trước); - Chiều cao HN9: h = 325 (mm, cho trước); - Chiều dài của HN9: L = 1300 (mm, cho trước); - Chiều dài của XDN11: 𝐿1 = 1000 (mm, cho trước); - Chiều dài của CL7: 𝐿2 = 700 (mm, cho trước) Yêu cầu kỹ thuật - Đảm bảo độ cứng vững, bền của kết cấu khi cất và lấy các kiện hàng - Đảm bảo tính linh hoạt cho xe nâng thuận tiện cất và lấy hàng - Đặc tính tải trọng: Va đập nhẹ 2. Tính toán kết cấu khung, và hệ truyền dẫn Để tính toán thiết kế được số lượng ô chứa hàng cần thiết của khung kho chứa ta đi tìm vùng hoạt động của cụm lưu trữ hàng.1 cho ta thấy vị trí cao nhất và gần cột Oz nhất mà XDN11 có thể di chuyển tới.