Đồ án: Thiết kế hệ dẫn động cho kho hàng tự động - Bùi Quang Đạt

Tìm hiểu chi tiết về thiết kế hệ dẫn động kho hàng tự động. Các thành phần, công nghệ và tiêu chí lựa chọn cho hệ thống vận hành tối ưu và hiệu quả.

• Tác giả: Bùi Quang Đạt
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Hải Sơn
• Trường học: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ - Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Dẫn Động Cho Kho Hàng Tự Động
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: SƠ ĐỒ ĐỘNG HỌC; XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN CƠ BẢN; SỐ LIỆU BAN ĐẦU, YÊU CẦU KỸ THUẬT HỆ THỐNG KHO HÀNG TỰ ĐỘNG
• 1.1. Sơ đồ động học hệ thống kho hàng tự động
• 1.2. Bổ sung hoàn chỉnh sơ đồ; thiết lập hệ tọa độ
• 1.2.1. Bổ sung hoàn chỉnh sơ đồ
• 1.2.2. Thiết lập hệ tọa độ
• 1.2.3. Xây dựng điều kiện ràng buộc về hình học
• 1.3. Phân tích hoạt động hệ kho hàng tự động
• 1.4. Xác định thành phần cơ bản của hệ thống kho hàng tự động
• 1.4.1. Cụm dẫn động nâng kiện hàng theo phương Oz
• 1.4.2. Cụm dẫn động di chuyển kiện hàng theo phương Ox
• 1.4.3. Cụm dẫn động di chuyển kiện hàng theo phương Oy
• 1.4.4. Khung kho chứa các kiện hàng
• 1.5. Số liệu ban đầu; yêu cầu kỹ thuật
• 1.5.1. Số liệu ban đầu
• 1.5.1.1. Cụm xe nâng hàng
• 1.5.1.2. Cụm xe di chuyển hàng hoá
• 1.5.1.3. Số liệu chung
• 1.5.2. Yêu cầu kỹ thuật chung (nhiệm vụ đặt ra)
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC HỆ KHO HÀNG
• 2.1. Khung kho chứa các kiện hàng
• 2.1.1. Yêu cầu kỹ thuật
• 2.1.2. Tính toán kết cấu khung, và hệ truyền dẫn
• 2.1.2.1. Tính toán kết cấu khung
• 2.1.2.2. Chọn kích thước khung và con lăn
• 2.2. Cụm dẫn động nâng kiện hàng theo phương Oz
• 2.2.1. Yêu cầu kỹ thuật
• 2.2.2. Tính toán hệ truyền dẫn
• 2.2.2.1. Tính toán công suất trên trục động cơ
• 2.2.2.2. Xác định số vòng quay sơ bộ của động cơ
• 2.2.2.3. Chọn động cơ
• 2.2.2.4. Phân phối tỉ số truyền
• 2.2.2.5. Tính các thông số trên trục
• 2.2.2.6. Tính toán thiết kế bộ truyền thanh răng
• 2.3. Cụm dẫn động di chuyển kiện hàng theo phương Ox
• 2.3.1. Yêu cầu kỹ thuật
• 2.3.2. Tính toán hệ truyền dẫn
• 2.3.2.1. Tính toán công suất trên trục động cơ 15
• 2.3.2.2. Xác định số vòng quay sơ bộ của động cơ
• 2.3.2.3. Chọn động cơ
• 2.3.2.4. Tính các thông số trên trục
• 2.3.2.5. Tính toán thiết kế bộ truyền xích
• 2.4. Cụm dẫn động di chuyển kiện hàng theo phương Oy
• 2.4.1. Yêu cầu kỹ thuật
• 2.4.2. Tính hệ truyền dẫn, và các kích thước liên quan của hệ CL7
• 2.4.2.1. Tính toán công suất, tốc độ vòng trên trục động cơ 16
• 2.4.2.2. Tính toán các kích thước liên quan
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ KẾT CẤU HỆ KHO HÀNG TỰ ĐỘNG
• 3.1. Thiết kế kết cấu khung kho chứa hang
• 3.1.1. Yêu cầu kỹ thuật
• 3.1.2. Kết cấu lắp
• 3.2. Thiết kế kết cấu cụm dẫn động phương Oz
• 3.2.1. Yêu cầu kỹ thuật
• 3.2.2. Kết cấu lắp
• 3.3. Thiết kế kết cấu cụm dẫn động phương Ox
• 3.3.1. Yêu cầu kỹ thuật
• 3.3.2. Kết cấu lắp
• 3.4. Thiết kế kết cấu cụm dẫn động phương Oy
• 3.4.1. Yêu cầu kỹ thuật
• 3.4.2. Kết cấu lắp
• 3.5. Thiết kế kết cấu lắp tổng thể
• 3.5.1. Yêu cầu kỹ thuật
• 3.5.2. Kết cấu lắp tổng thể
• 3.6. Thiết kế bản vẽ chi tiết
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế hệ dẫn động kho hàng tự động 4

Trong bối cảnh Logistics 4.0, thiết kế hệ dẫn động kho hàng tự động là yếu tố cốt lõi xây dựng nên các nhà kho thông minh. Hệ thống này không chỉ là một tập hợp máy móc, mà là một giải pháp kỹ thuật phức tạp, tích hợp cơ khí chính xác, điều khiển tự động và phần mềm quản lý. Mục tiêu chính là tạo ra một dòng chảy vật chất liền mạch, từ khâu nhập hàng, lưu trữ, đến xuất hàng, giảm thiểu sự can thiệp của con người và tối đa hóa hiệu suất. Một hệ dẫn động hiệu quả phải đảm bảo di chuyển hàng hóa chính xác theo ba trục không gian (nâng hạ, di chuyển ngang, và vào/ra kệ), chịu được tải trọng thay đổi và hoạt động bền bỉ trong hàng chục nghìn giờ. Nghiên cứu trong đồ án "Thiết kế hệ thống dẫn động của kho hàng tự động" của Đại học Bách Khoa Hà Nội đã chỉ ra rằng việc phân tích và tính toán động học, lựa chọn động cơ servo và hộp số giảm tốc phù hợp là những bước nền tảng quyết định sự thành công của toàn bộ hệ thống. Các giải pháp như hệ thống AS/RS (Automated Storage and Retrieval System) hay việc sử dụng xe tự hành AGV đều dựa trên nguyên lý dẫn động cơ khí tiên tiến này để đạt được khả năng tối ưu hóa kho hàng.

1.1. Vai trò của tự động hóa kho hàng trong Logistics 4.0

Sự ra đời của tự động hóa kho hàng là một bước tiến mang tính cách mạng, giải quyết bài toán về tốc độ và chi phí trong chuỗi cung ứng hiện đại. Thay vì phụ thuộc vào sức người, các giải pháp kho bãi tự động sử dụng robot và máy móc để thực hiện các công việc lặp đi lặp lại với độ chính xác cao. Việc này giúp giảm đáng kể sai sót, tăng tốc độ xử lý đơn hàng, và tối ưu hóa không gian lưu trữ. Một nhà kho thông minh có thể hoạt động 24/7 mà không cần nghỉ, đáp ứng nhu cầu tăng đột biến trong các mùa cao điểm. Công nghệ này không chỉ là xu hướng mà còn là yêu cầu bắt buộc để các doanh nghiệp duy trì năng lực cạnh tranh, đặc biệt trong lĩnh vực thương mại điện tử. Các hệ thống như robot tự hành AMR (Autonomous Mobile Robots) và hệ thống shuttle đang ngày càng trở nên phổ biến, mang lại sự linh hoạt và khả năng mở rộng vượt trội so với kho hàng truyền thống.

1.2. Phân tích các thành phần cơ bản của hệ thống dẫn động

Một hệ dẫn động kho hàng tự động điển hình được cấu thành từ ba cụm cơ cấu chính. Cụm thứ nhất là hệ thống nâng hạ, chịu trách nhiệm di chuyển hàng hóa theo phương thẳng đứng (trục Oz), thường sử dụng cơ cấu bánh răng - thanh răng hoặc xích tải công nghiệp. Cụm thứ hai là cơ cấu di chuyển ngang (trục Ox), giúp xe hàng di chuyển dọc theo các dãy kệ. Cụm thứ ba là cơ cấu đưa hàng vào/ra kệ (trục Oy), thường dùng hệ thống băng tải con lăn hoặc tay gắp. Mỗi cụm đều yêu cầu một cơ cấu chấp hành riêng, bao gồm động cơ, hộp số giảm tốc, và các bộ truyền động. Việc lựa chọn chính xác các linh kiện như biến tần công nghiệp để điều khiển tốc độ động cơ servo và bộ điều khiển PLC để đồng bộ hóa hoạt động là yếu tố sống còn, đảm bảo toàn bộ hệ thống vận hành trơn tru và chính xác.

II. Thách thức trong thiết kế hệ dẫn động kho hàng tự động

Việc thiết kế hệ dẫn động cho kho hàng tự động đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Thách thức lớn nhất là đảm bảo độ chính xác và độ lặp lại trong quá trình định vị. Sai số dù chỉ vài milimet cũng có thể gây ra va chạm, làm hỏng hàng hóa hoặc toàn bộ hệ thống. Vấn đề thứ hai là tải trọng động. Khối lượng hàng hóa và bản thân xe nâng tạo ra các lực quán tính lớn khi tăng tốc, giảm tốc hoặc dừng đột ngột, đòi hỏi kết cấu cơ khí phải đủ cứng vững và hệ thống điều khiển phải có khả năng bù trừ hiệu quả. Tài liệu nghiên cứu chỉ rõ, đặc tính tải trọng "Va đập vừa" (VĐV) yêu cầu các bộ truyền phải được tính toán với hệ số an toàn cao. Thêm vào đó, việc đồng bộ hóa chuyển động giữa nhiều trục (nâng, di chuyển ngang, vào/ra) đòi hỏi một thuật toán điều khiển phức tạp thông qua bộ điều khiển PLC và hệ thống SCADA. Cuối cùng, tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ cũng là một bài toán quan trọng để giảm chi phí vận hành lâu dài, yêu cầu lựa chọn động cơ hiệu suất cao và sử dụng biến tần công nghiệp một cách thông minh.

2.1. Bài toán về độ chính xác và đồng bộ hóa chuyển động

Trong một nhà kho thông minh, độ chính xác định vị là yếu tố không thể thỏa hiệp. Để robot có thể cất hoặc lấy hàng từ một ô kệ cụ thể trong hàng ngàn ô, hệ thống dẫn động phải được điều khiển chính xác đến từng milimet. Điều này đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa các cơ cấu chấp hành như động cơ servo có encoder độ phân giải cao và các loại cảm biến định vị. Các cảm biến quang và cảm biến tiệm cận đóng vai trò xác định điểm tham chiếu (home) và giới hạn hành trình, ngăn ngừa va chạm. Thách thức lớn hơn nữa là đồng bộ hóa chuyển động đa trục. Ví dụ, robot có thể vừa di chuyển theo phương ngang vừa nâng hàng lên cao để tiết kiệm thời gian. Việc này yêu cầu bộ điều khiển PLC phải xử lý tín hiệu từ nhiều cảm biến và điều khiển nhiều động cơ cùng lúc một cách nhịp nhàng, tạo ra một quỹ đạo chuyển động tối ưu.

2.2. Vấn đề về tải trọng động và độ bền vật liệu

Hệ dẫn động kho hàng thường xuyên làm việc dưới điều kiện tải trọng động. Quá trình tăng tốc và hãm phanh đột ngột của xe nâng với khối lượng hàng hóa lớn (lên tới hàng trăm kg) tạo ra các lực quán tính và momen xoắn đáng kể. Theo tính toán trong đồ án, với khối lượng xe nâng Gn=160kg và hàng hóa Gd=70kg, các chi tiết chịu lực như trục, bánh răng, và đặc biệt là xích tải công nghiệp phải được thiết kế với độ bền cao. Việc lựa chọn vật liệu có giới hạn bền và giới hạn chảy phù hợp, kết hợp với nhiệt luyện để tăng độ cứng bề mặt là bắt buộc. Phân tích ứng suất bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) thường được áp dụng để kiểm tra và tối ưu hóa kết cấu, đảm bảo hệ thống có thể hoạt động ổn định trong suốt thời hạn phục vụ dự kiến (ví dụ: 19.000 giờ) mà không bị phá hủy do mỏi.

III. Phương pháp thiết kế hệ dẫn động nâng hạ trục Oz

Cơ cấu nâng hạ là trái tim của hệ thống kho hàng tự động, chịu trách nhiệm đưa toàn bộ xe hàng và sản phẩm lên độ cao yêu cầu. Phương pháp thiết kế tối ưu cho cơ cấu này thường là sử dụng hệ truyền động bánh răng - thanh răng. Thanh răng được gắn cố định dọc theo cột dẫn hướng, trong khi bánh răng được dẫn động bởi một động cơ servo thông qua một hộp số giảm tốc lắp trên xe nâng. Ưu điểm của phương pháp này là độ cứng vững cao, khả năng truyền lực lớn và định vị chính xác. Quá trình tính toán bắt đầu bằng việc xác định tổng lực cản, bao gồm trọng lực của xe nâng, hàng hóa và lực ma sát tại các con lăn dẫn hướng. Dựa trên tài liệu gốc, tổng lực cản được tính theo công thức Fcn = 2 × Fms + (Gn + Gd) × g. Từ đó, công suất cần thiết của động cơ được xác định. Việc phân phối tỉ số truyền hợp lý giữa các cấp trong hộp số giảm tốc và chọn mô-đun cho cặp bánh răng - thanh răng là cực kỳ quan trọng để đảm bảo momen xoắn đủ lớn và tốc độ nâng hạ đạt yêu cầu (ví dụ vn = 3,4 m/phút).

3.1. Tính toán và lựa chọn động cơ servo hộp số giảm tốc

Việc lựa chọn động cơ servo và hộp số giảm tốc là bước quyết định đến hiệu suất của cơ cấu nâng. Đầu tiên, cần tính toán công suất yêu cầu trên trục công tác (trục bánh răng) dựa vào lực cản và vận tốc nâng. Sau đó, công suất cần thiết của động cơ được xác định bằng cách chia cho hiệu suất của toàn bộ hệ thống truyền động (bao gồm hiệu suất hộp số, ổ lăn, khớp nối). Dựa trên đồ án mẫu, với Pyc = 0.192 kW và nsb ≈ 2813 vg/ph, động cơ 4AA63B2Y3 (0.25 kW, 2760 vg/ph) đã được lựa chọn. Tiếp theo, tỉ số truyền tổng của hộp số giảm tốc được xác định để chuyển đổi tốc độ cao của động cơ sang tốc độ thấp và momen xoắn cao tại bánh răng. Phân phối tỉ số truyền cho từng cấp bánh răng trong hộp số cần được tối ưu hóa để đảm bảo kết cấu nhỏ gọn và hiệu suất cao.

3.2. Thiết kế bộ truyền bánh răng thanh răng tối ưu

Bộ truyền bánh răng - thanh răng là cơ cấu chấp hành trực tiếp biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến. Quá trình thiết kế bắt đầu bằng việc chọn vật liệu (ví dụ: thép C45) và xác định ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn cho phép dựa trên độ cứng và tuổi thọ yêu cầu. Các thông số hình học quan trọng nhất cần xác định là mô-un (m) và số răng của bánh răng (z1). Mô-un được chọn dựa trên kinh nghiệm và tiêu chuẩn, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu tải và kích thước của bộ truyền. Sau khi có thông số sơ bộ, cần thực hiện kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc và độ bền uốn để đảm bảo răng không bị tróc rỗ bề mặt hoặc gãy do quá tải. Việc tính toán chính xác giúp đảm bảo bộ truyền hoạt động êm, bền bỉ và đạt được độ chính xác vị trí mong muốn trong suốt vòng đời của hệ thống AS/RS.

IV. Hướng dẫn thiết kế cơ cấu di chuyển ngang vào kho

Cơ cấu di chuyển ngang (trục Ox) và đưa hàng vào kho (trục Oy) quyết định tính linh hoạt và tốc độ xử lý của giải pháp kho bãi tự động. Đối với chuyển động ngang, hệ thống thường bao gồm các bánh xe được dẫn động bởi một động cơ trung tâm thông qua bộ truyền xích. Việc tính toán lực cản lăn và lực quán tính là cơ sở để lựa chọn động cơ và hộp số giảm tốc. Tốc độ di chuyển (ví dụ vx = 5,5 m/phút) phải được kiểm soát chính xác bằng biến tần công nghiệp để đảm bảo xe dừng đúng vị trí ô kệ. Đối với cơ cấu đưa hàng vào kho, hệ thống băng tải con lăn là giải pháp phổ biến nhất. Một động cơ riêng biệt sẽ dẫn động các con lăn thông qua xích tải công nghiệp. Vận tốc của băng tải (ví dụ vh = 7,5 m/phút) cần được đồng bộ với hệ thống lưu trữ bên trong kệ hàng để quá trình chuyển giao diễn ra mượt mà, tránh va đập hay làm rơi hàng hóa. Toàn bộ quá trình này tạo nên một chu trình hoàn chỉnh, nền tảng cho các hệ thống phức tạp hơn như hệ thống shuttle.

4.1. Phân tích động học cho hệ thống di chuyển ngang trục Ox

Hệ thống di chuyển ngang có nhiệm vụ đưa xe nâng đến đúng cột chứa hàng. Thiết kế động học bắt đầu bằng việc xác định lực cản chuyển động, chủ yếu là lực ma sát lăn giữa bánh xe và đường ray. Lực này phụ thuộc vào tổng khối lượng của xe nâng, hàng hóa và hệ số ma sát lăn. Từ lực cản và vận tốc yêu cầu, ta tính được công suất và momen cần thiết trên trục bánh xe. Sau đó, thông qua bộ truyền xích và hộp số giảm tốc, các thông số của động cơ được xác định. Đường kính bánh xe (ví dụ d8 = 130 mm) cũng là một thông số quan trọng, ảnh hưởng đến cả tốc độ và khả năng vượt qua các điểm không bằng phẳng nhỏ trên đường ray. Việc sử dụng bộ điều khiển PLC để điều khiển gia tốc và giảm tốc giúp chuyển động mượt mà, giảm tải trọng động lên kết cấu.

4.2. Xây dựng cơ cấu băng tải con lăn cấp rút hàng trục Oy

Hệ thống băng tải con lăn đóng vai trò như cánh tay nối dài, thực hiện thao tác cuối cùng là đưa hàng vào hoặc lấy hàng ra khỏi kệ. Thiết kế của hệ thống này tập trung vào việc đảm bảo hàng hóa được di chuyển ổn định và không bị trượt. Lựa chọn đường kính và khoảng cách giữa các con lăn phải phù hợp với kích thước và trọng lượng của kiện hàng. Bộ truyền động cho các con lăn thường là xích tải công nghiệp loại nhỏ, được dẫn động bởi một động cơ công suất thấp. Tốc độ quay của con lăn quyết định vận tốc di chuyển của hàng hóa. Một yếu tố quan trọng là cần có các cảm biến quang ở đầu và cuối băng tải để phát hiện sự hiện diện của hàng hóa, từ đó gửi tín hiệu về bộ điều khiển PLC để bắt đầu hoặc kết thúc chu trình cấp/rút hàng, đảm bảo sự phối hợp nhịp nhàng với toàn bộ hệ thống AS/RS.

V. Bí quyết tích hợp PLC và cảm biến tối ưu hóa kho hàng

Một thiết kế hệ dẫn động kho hàng tự động chỉ thực sự thông minh khi có sự tích hợp chặt chẽ giữa cơ khí và hệ thống điều khiển. Bí quyết nằm ở việc xây dựng một hệ thống điều khiển phân tán và có thứ bậc. Bộ điều khiển PLC (Programmable Logic Controller) đóng vai trò là bộ não trung tâm, nhận lệnh từ phần mềm quản lý kho (WMS) hoặc hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), sau đó điều phối hoạt động của từng cơ cấu. PLC xử lý tín hiệu từ hàng loạt cảm biến để giám sát trạng thái của hệ thống trong thời gian thực. Các cảm biến tiệm cận và công tắc hành trình xác định vị trí giới hạn, trong khi cảm biến quang dùng để phát hiện hàng hóa. Encoder tích hợp trong động cơ servo cung cấp phản hồi vị trí chính xác. Dựa trên các tín hiệu này, PLC ra quyết định điều khiển các biến tần công nghiệp để thay đổi tốc độ và chiều quay của động cơ, từ đó thực hiện các chu trình vận hành phức tạp một cách tự động và an toàn, tiến tới tối ưu hóa kho hàng toàn diện.

5.1. Vai trò của bộ điều khiển PLC và hệ thống SCADA

Bộ điều khiển PLC là thiết bị cốt lõi trong tự động hóa kho hàng. Nó thực thi các logic điều khiển đã được lập trình sẵn, chẳng hạn như tuần tự các bước nâng hàng, di chuyển ngang và cấp hàng. PLC nhận tín hiệu đầu vào từ các cảm biến và nút nhấn, sau đó xuất tín hiệu đầu ra để điều khiển rơle, contactor, và đặc biệt là biến tần công nghiệp. Trong khi đó, hệ thống SCADA cung cấp giao diện người-máy (HMI), cho phép người vận hành giám sát toàn bộ hoạt động của kho hàng trên một màn hình trực quan. SCADA thu thập dữ liệu từ PLC, hiển thị trạng thái của các xe tự hành AGV, vị trí hàng hóa, và cảnh báo lỗi. Sự kết hợp giữa PLC và SCADA tạo ra một hệ thống điều khiển mạnh mẽ, vừa tự động, vừa có khả năng giám sát và can thiệp khi cần thiết.

5.2. Ứng dụng cảm biến quang và cảm biến tiệm cận

Cảm biến là giác quan của hệ thống kho hàng tự động. Cảm biến tiệm cận (thường là cảm biến từ) được lắp ở các vị trí đầu và cuối hành trình của các cơ cấu chuyển động. Khi xe nâng hoặc băng tải di chuyển đến gần vùng có cảm biến, nó sẽ phát ra tín hiệu để PLC biết rằng cơ cấu đã đến vị trí giới hạn, từ đó ra lệnh giảm tốc hoặc dừng lại để tránh va chạm. Cảm biến quang (loại thu-phát hoặc phản xạ gương) được sử dụng để phát hiện sự có mặt/vắng mặt của kiện hàng trên băng tải hoặc trong ô kệ. Tín hiệu từ cảm biến quang giúp PLC xác nhận rằng thao tác lấy hàng hoặc cất hàng đã thành công, cho phép hệ thống chuyển sang bước tiếp theo trong chu trình. Việc bố trí và lựa chọn cảm biến phù hợp là chìa khóa để đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và đáng tin cậy.

VI. Xu hướng tự động hóa kho hàng với robot AMR và AS RS

Tương lai của tự động hóa kho hàng đang hướng tới các giải pháp linh hoạt và thông minh hơn. Hệ thống AS/RS truyền thống, mặc dù hiệu quả, nhưng thường có kết cấu cố định và khó mở rộng. Xu hướng mới là sự trỗi dậy của robot tự hành AMR (Autonomous Mobile Robot). Khác với xe tự hành AGV di chuyển theo vạch từ hoặc mã vạch định sẵn, AMR sử dụng công nghệ SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) để tự lập bản đồ nhà kho và tìm ra đường đi tối ưu nhất. Điều này mang lại sự linh hoạt vượt trội, cho phép dễ dàng thay đổi layout nhà kho mà không cần sửa đổi cơ sở hạ tầng. Sự kết hợp giữa hệ thống AS/RS mật độ cao để lưu trữ và đội robot AMR để vận chuyển hàng hóa đến các trạm komplet (goods-to-person) đang định hình nên thế hệ nhà kho thông minh tiếp theo, một phần không thể thiếu của cuộc cách mạng Logistics 4.0.

6.1. So sánh hệ thống AS RS truyền thống và hệ thống shuttle

Hệ thống AS/RS truyền thống thường sử dụng một cần trục (stacker crane) duy nhất để phục vụ cho cả một lối đi dài, dẫn đến hạn chế về thông lượng. Để khắc phục điều này, hệ thống shuttle ra đời. Thay vì một cần trục lớn, hệ thống này sử dụng nhiều robot con thoi (shuttle) hoạt động độc lập trên mỗi tầng của giá kệ. Một thang máy sẽ đưa shuttle và hàng hóa lên đúng tầng. Nhờ hoạt động song song của nhiều shuttle, thông lượng (số lượt xuất/nhập hàng mỗi giờ) của hệ thống tăng lên đáng kể. Hệ thống shuttle đặc biệt hiệu quả cho các kho hàng có số lượng mã sản phẩm (SKU) lớn và yêu cầu tốc độ xử lý đơn hàng cao, là một bước tiến quan trọng trong việc tối ưu hóa kho hàng.

6.2. Tiềm năng của robot tự hành AMR trong nhà kho thông minh

Robot tự hành AMR đang mở ra một kỷ nguyên mới cho giải pháp kho bãi tự động. Với khả năng tự định vị và tránh vật cản thông minh, AMR không bị giới hạn bởi các đường đi cố định. Chúng có thể hoạt động an toàn bên cạnh con người và các thiết bị khác, dễ dàng tích hợp vào các nhà kho hiện hữu mà không cần đầu tư lớn vào cơ sở hạ tầng. Các ứng dụng của AMR rất đa dạng, từ việc vận chuyển kệ hàng đến người komplet, hỗ trợ chia chọn đơn hàng, đến việc tự động vận chuyển hàng hóa giữa các khu vực sản xuất và lưu trữ. Sự linh hoạt, khả năng mở rộng dễ dàng và trí tuệ nhân tạo tích hợp giúp AMR trở thành công nghệ chủ chốt để xây dựng các nhà kho thông minh có khả năng thích ứng cao với sự thay đổi liên tục của thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1- SƠ ĐỒ ĐỘNG HỌC; XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN CƠ BẢN; SỐ LIỆU BAN ĐẦU, YÊU CẦU KỸ THUẬT HỆ THỐNG KHO HÀNG TỰ ĐỘNG 1.1- Sơ đồ động học hệ thống kho hàng tự động 1.1- Bổ sung hoàn chỉnh sơ đồ; thiết lập hệ tọa độ a- Bổ sung 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: Hình 1.1- Sơ đồ động học hệ KHTĐ (bổ sung) 19 Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí Sinh viên thực hiện: Bùi Quang Đạt – K64 Cụ thể, các phẩn tử, chi tiết được bổ sung là: - Động cơ 15 dẫn động cho hộp giảm tốc (HGT) 5 của xe di chuyển; - Động cơ 16 dẫn động cho bộ truyền xích 13; - Cụm nối trục 17, cụm này nối trục truyền động của HGT 1 với động cơ 4; - Cụm nối trục 18, cụm này nối trục truyền động của HGT 5 với động cơ 15; - Cụm đĩa xích truyền động các con lăn, cụm này ký hiệu thứ tự 19; Kết hợp với đó, thứ tự các phần tử, thiết bị từ 1 đến 14 đã được ký hiệu từ đề bài như sau: 1- HGT (cơ cấu nâng); 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. b- 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. 20 Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí Sinh viên thực hiện: Bùi Quang Đạt – K64 Hình 1.2- Hệ toạ độ Oxz Hình 1.3- Hệ toạ độ Oxy c- Xây dựng điều kiện ràng buộc về hình học Các kiện hàng sau khi qua hệ thống dẫn động sẽ được đưa vào trong kho hàng.

Để các kiện hàng có thể đặt đúng vào các ngăn của khung kho thì chúng ta phải 21 Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí Sinh viên thực hiện: Bùi Quang Đạt – K64 xây dựng các điều kiện ràng buộc. Từ đó mới đảm bảo kích thước như chiều dài, chiều rộng, chiều cao, độ sâu của kho, v.4- Bổ sung ký hiệu hình chiếu đứng sơ đồ KHTĐ Hình 1.5- Bổ sung ký hiệu hình ngang đứng sơ đồ KHTĐ Điều kiện ràng buộc hình học của cụm xe nâng trong hệ Oxyz gồm có - Độ cao giới hạn tối thiểu h0 của cụm xe nâng phải thỏa mãn: 22 Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí Sinh viên thực hiện: Bùi Quang Đạt – K64 212\* MERGEFORMAT (.) Trong đó: h- Chiều cao xe nâng (cho trước, mm); rcl- Bán kính con lăn xe nâng (mm). - Độ cao giới hạn tối đa h1 xe nâng phải thỏa mãn: h0 < h1 < H – (rcl + (10 ÷ 15)) 313\* MERGEFORMAT (.) Với H là độ cao khống chế hành trình nâng của cụm xe (cho trước, mm). Điều kiện ràng buộc của cụm xe di chuyển theo phương ngang Ox là 414\* MERGEFORMAT (.) Với L0 là khoảng cách từ tâm O của hệ toạ độ tới vị trí trọng tâm của kiện hàng.

Điều kiện kích thước khuôn khổ kiện hàng trong hệ Oxyz gồm có - Độ rộng tối đa b12 (mm) của kiện hàng (theo phương Oy): Trong đó: b12 < b 515\* MERGEFORMAT (.) Với b là độ rộng phần đặt kiện hàng (cho trước, mm). - Chiều cao tối đa h12 (mm) của kiện hàng (theo phương Oz): h12 < H – h2 – hgh 616\* MERGEFORMAT (.) Trong đó: hgh- Độ cao an toàn của xe nâng (mm); h2- Chiều cao bánh xe và phần đặt hàng của xe (mm). Ngoài ra để đảm bảo kiện hang không bị lật khi xe di chuyển thì: h* < (h2 + h12) 717\* MERGEFORMAT (.) Trong đó: h*- Chiều cao từ mặt di chuyển của xe đến vị trí trọng tâm kiện hàng (mm). - Chiều dài tối đa l12 (mm) của kiện hàng (theo phương Ox): l12< L2 818\* MERGEFORMAT (.) Với L2- Chiều dài phần đặt hàng xe, cho trước 23 Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí Sinh viên thực hiện: Bùi Quang Đạt – K64 Điều kiện về kích thước cơ bản của kho hàng trong hệ Oxyz gồm có - Chiều cao Hkh kho hàng (mm): hgh + h + rcl < Hkh < H 919\* MERGEFORMAT (.) Thông thường sẽ bố trí kho hàng xếp thành nhiều tầng để tận dụng tối đa diện tích, không gian kho.

Việc tính toán thiết kế kho hàng sẽ thực hiện ở Chương 2. - Chiều dài Lkh kho hàng (mm): L2 < Lkh < L+ L2 10110\* MERGEFORMAT (.) - Chiều rộng Bkh kho hàng (mm): Bbn = b×n 11111\* MERGEFORMAT (.) Với n- Số thực, n > 0.2- Phân tích hoạt động hệ kho hàng tự động Kho hàng tự động gồm 3 cụm chuyển động: cụm xe nâng 9 theo Oz, cụm xe di chuyển ngang 11 theo Ox, và cụm di chuyển hàng theo Oy nhờ các con lăn 7. Để cất hay lấy kiện hàng 12 (K12), các cụm của hệ thống có thể hoạt động theo 2 phương án sau: a- Phương án 1 Khi cất kiện hàng: lúc này hệ thống đang ở vị trí chuẩn ban đầu (vị trí này sẽ được định nghĩa sau). Bước 1- Kiện hàng K12 được đặt lên mặt sàn CL7; HGT 1 truyền chuyển động cho bộ truyền BRTR3 ứng với chiều quay sao cho HN9 đi lên (nâng cả K12 và XDN11) theo phương thẳng đứng tới độ cao yêu cầu thì dừng lại; Bước 2- HGT 5 của xe XDN11 khởi động kéo hệ bánh xe 8 (BX8) với chiều quay sao cho XDN11 di chuyển sang phải theo phương ngang đến vị trí yêu cầu cất K12 thì dừng lại; Bước 3- Bộ truyền xích 13 (TĐX13) quay (nhờ khởi động động cơ), và truyền chuyển động cho hệ CL7 với chiều quay sao cho K12 được các con lăn này đẩy lọt vào vị trí ngăn chứa (ô, khoang) yêu cầu của khung kho chứa hàng (kệ chứa hàng); 24 Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí Sinh viên thực hiện: Bùi Quang Đạt – K64 sau đó ngắt chuyển động TĐX13 để chờ quá trình hoạt động (đẩy hoặc lấy K12) tiếp theo; Chú ý: khi K12 được đẩy vào ô chứa của kệ chứa hàng thì các K12 sẽ được cơ cấu cơ khí nào đó (tạm gọi là “cơ cấu cơ khí bổ sung”, viết tắt: “CKBS”) lắp trong kệ chứa hàng (sẽ thiết kế bổ sung sau) dẫn động tiếp để đưa K12 vào phía bên trong.

Bước 4- HGT 5 của XDN11 khởi động nhưng đảo chiều quay kéo hệ BX8 đưa XDN11 di chuyển sang trái theo phương ngang về vị trí ban đầu (XDN11 về gần cột 14 nhất có thể - ví trí chuẩn ban đầu) thì dừng lại và chờ; Bước 5- HGT 1 truyền chuyển động cho bộ truyền BRTR3 với chiều quay ngược lại đưa hệ thống HN9 đi xuống tới vị trí ban đầu (HN9 ở vị trí thấp nhất có thể - ví trí chuẩn ban đầu) thì dừng lại và chờ; Khi lấy kiện hàng: giả sử cần lấy K12 ở một ngăn ô chứa nào đó của kệ chứa hàng; lúc này hệ thống đang ở vị trí chuẩn ban đầu, quá trình lấy K12 như sau: Bước 1- thực hiện như Bước 1 nêu trên; Bước 2- thực hiện như Bước 2 nêu trên; Bước 3- khởi động động cơ kéo bộ TĐX13 nhưng theo chiều quay ngược lại; khi đó K12 được đẩy từ trong ngăn ô chứa của kệ chứa hàng (nhờ CKBS) lên mặt sàn hệ CL7, do đó K12 được đưa (di chuyển) ra, và đến vị trí yêu cầu (chính giữa trên mặt sàn thùng chứa XDN11) thì dừng lại (ngắt chuyển động bộ TĐX13); Chú ý: khi K12 được CKBS di chuyển ra khỏi kệ chứa hàng thì truyền động của CKBS tạm ngắt để chờ quá trình hoạt động tiếp theo. Bước 4- XDN11 được đảo chiều quay, chở K12 di chuyển tới vị trí yêu cầu nằm (thuộc) trên phương ngang thì dừng lại và chờ; Bước 5- HGT1 đảo chiều quay, do đó HN9 hạ cả cụm XDN11 và K12 xuống vị trí yêu cầu nằm (thuộc) trên phương đứng thì dừng lại và chờ; Bước 6- K12 được lấy (vận chuyển) ra khỏi mặt sàn hệ CL7 của XDN11, và kết thúc quá trình lấy K12. 25 Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí Sinh viên thực hiện: Bùi Quang Đạt – K64 Nếu tiếp tục cất hoặc lấy K12, các bước được thực hiện như trên; b- Phương án 2: Khi cất kiện hàng: lúc này hệ thống đang ở vị trí chuẩn ban đầu (vị trí này được định nghĩa sau). Bước 1- Kiện hàng K12 được đặt lên mặt sàn con lăn 7 (CL7); HGT 1 truyền chuyển động cho bộ truyền bánh răng - thanh răng 3 (BRTR3) ứng với chiều quay sao cho hệ thống nâng 9 (HN9) đi lên, đồng thời HGT 5 của xe XDN11 khởi động kéo hệ bánh xe 8 (BX8) với chiều quay sao cho XDN11 di chuyển sang phải theo phương ngang đến vị trí yêu cầu cất K12 thì dừng lại.

Bước 2 - giống như bước 3 của phương án 1; Bước 3 - giống như bước 4 của phương án 1; Bước 4 - giống như bước 5 của phương án 1; Khi lấy kiện hàng: giả sử cần lấy K12 ở một ngăn ô chứa nào đó của kệ chứa hàng; lúc này hệ thống đang ở vị trí chuẩn ban đầu, quá trình lấy K12 như sau: Bước 1- giống như bước 3 của phương án 2; Bước 2- giống như bước 3 của phương án 1; Bước 3- XDN11 được đảo chiều quay, chở K12 di chuyển sang phương ngang và đồng thời HGT1 đảo chiều quay, HN9 hạ cả cụm XDN11 và K12 xuống theo phương thẳng đứng, kết hợp cả hai chuyển động theo phương thẳng đứng và nằm ngang, ta đưa được K12 đến vị trí yêu cầu, sau đó thì dừng lại và chờ lệnh tiếp theo; Bước 4- giống như bước 6 của phương án 1. Ở phương án này, việc kết hợp của cả hai động cơ theo hai trục chuyển động Ox và Oz phức tạp hơn phương án 1 nên khả năng thực hiện sẽ khó hơn, đòi hỏi kiến thức cao hơn ở người kĩ sư. Nếu kết thúc (hết ca làm việc) thì hệ thống tự động thu về vị trí điểm chuẩn. Nội dung phân tích trên đây làm cơ sở để thực hiện nội dung 1.