Thiết Kế Hệ Thống Dẫn Động Cho Kho Hàng Tự Động

Hệ thống dẫn động cho kho hàng tự động là một phần quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình lưu trữ và vận… 91 trang · Đại Học Bách Khoa Hà Nội · 2024.

• Tác giả: Cao Mạnh Đạt
• Người hướng dẫn: TS. Lê Đức Độ
• Trường học: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Khí
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Dẫn Động Cho Kho Hàng Tự Động
• Loại tài liệu: Đồ Án Môn Học
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHO HÀNG TỰ ĐỘNG
• 1.1. Tổng quan về kho hàng tự động
• 1.2. Lịch sử ra đời và phát triển của hệ thống kho hàng tự động
• 1.3. Kho hàng tự động là gì ?
• 1.4. Vai trò của kho hàng tự động trong công nghiệp
• 1.5. Ưu và nhược điểm của hệ thống kho hàng tự động hiện nay
• 1.6. Hệ thống kho hàng trong công nghiệp
• 1.7. Phân loại các kho hàng tự động
• 1.7.1. Hàng hóa giao tiếp với người (G2P)
• 1.7.2. Hệ thống lưu trữ và truy xuất tự động (AS / RS)
• 1.7.3. Robot di động tự động (AMR)
• 1.7.4. Xe tự hành (AGV)
• 1.7.5. Hệ thống lấy sáng
• 1.7.6. Hệ thống chiếu sáng
• 1.7.7. Chọn và tác vụ bằng giọng nói
• 1.7.8. Hệ thống phân loại tự động

Tóm tắt

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

Hệ thống dẫn động cho kho hàng tự động là một phần quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình lưu trữ và vận chuyển hàng hóa. Với sự phát triển của công nghệ, các hệ thống này đã trở thành giải pháp hiệu quả cho việc quản lý kho hàng. Hệ thống này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu sai sót trong quá trình xử lý hàng hóa. Việc thiết kế hệ thống dẫn động cần phải xem xét nhiều yếu tố như công nghệ, chi phí và hiệu suất.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Hệ Thống Kho Hàng Tự Động

Hệ thống kho hàng tự động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những năm 1970. Ban đầu, các hệ thống này chủ yếu được sử dụng trong các nhà máy lớn. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, ngày nay, chúng đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như nông nghiệp, bán lẻ và logistics.

1.2. Vai Trò Của Hệ Thống Dẫn Động Trong Kho Hàng

Hệ thống dẫn động đóng vai trò quan trọng trong việc tự động hóa quy trình lưu trữ và vận chuyển hàng hóa. Nó giúp tăng cường hiệu suất làm việc, giảm thiểu thời gian xử lý và đảm bảo độ chính xác cao trong việc quản lý hàng hóa.

II. Những Thách Thức Trong Thiết Kế Hệ Thống Dẫn Động Kho Hàng Tự Động

Mặc dù hệ thống kho hàng tự động mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại nhiều thách thức trong quá trình thiết kế và triển khai. Các vấn đề như chi phí đầu tư 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 Cao Trong Hệ Thống Tự Động

Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống kho hàng tự động thường rất cao. Điều này bao gồm chi phí cho thiết bị, phần mềm và đào tạo nhân viên. Do đó, việc tính toán lợi ích lâu dài là rất quan trọng.

2.2. Yêu Cầu Kỹ Thuật Cao Trong Thiết Kế

Thiết kế hệ thống dẫn động yêu cầu kiến thức chuyên môn cao và kinh nghiệm trong lĩnh vực tự động hóa. Việc thiếu hụt nhân lực có trình độ có thể gây khó khăn trong quá trình triển khai.

III. Phương Pháp Thiết Kế Hệ Thống Dẫn Động Hiệu Quả

Để thiết kế một hệ thống dẫn động cho kho hàng tự động hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp hiện đại và công nghệ tiên tiến. Việc lựa chọn thiết bị phù hợp và tối ưu hóa quy trình là rất quan trọng.

3.1. Lựa Chọn Thiết Bị Dẫn Động Phù Hợp

Việc lựa chọn thiết bị dẫn động như robot, băng tải và hệ thống điều khiển là rất quan trọng. Các thiết bị này cần phải tương thích với nhau để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

3.2. Tối Ưu Hóa Quy Trình Quản Lý Kho

Tối ưu hóa quy trình quản lý kho hàng thông qua việc sử dụng phần mềm quản lý kho thông minh giúp nâng cao hiệu quả hoạt động. Các công nghệ như mã vạch và RFID cũng cần được tích hợp để theo dõi hàng hóa chính xác.

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

Hệ thống dẫn động cho kho hàng tự động đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất đến phân phối. Các ứng dụng này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao hiệu quả làm việc.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Sản Xuất

Trong ngành sản xuất, hệ thống kho hàng tự động giúp tối ưu hóa quy trình lưu trữ và vận chuyển nguyên liệu. Điều này giúp giảm thiểu thời gian chờ đợi và tăng cường hiệu suất sản xuất.

4.2. Ứng Dụng Trong Ngành Bán Lẻ

Trong ngành bán lẻ, hệ thống kho hàng tự động giúp quản lý hàng tồn kho hiệu quả hơn. Việc tự động hóa quy trình lấy hàng giúp giảm thiểu sai sót và tăng cường trải nghiệm khách hàng.

V. Kết Luận Về Tương Lai Của Hệ Thống Dẫn Động Kho Hàng Tự Động

Tương lai của hệ thống dẫn động cho kho hàng tự động rất hứa hẹn với sự phát triển không ngừng của công nghệ. Các giải pháp tự động hóa sẽ ngày càng trở nên phổ biến và cần thiết trong việc quản lý kho hàng.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ Tự Động Hóa

Công nghệ tự động hóa sẽ tiếp tục phát triển với sự xuất hiện của trí tuệ nhân tạo và máy học. Điều này sẽ giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong quản lý kho hàng.

5.2. Tác Động Đến Ngành Logistics

Hệ thống kho hàng tự động sẽ có tác động lớn đến ngành logistics, giúp tối ưu hóa chuỗi cung ứng và giảm thiểu chi phí vận chuyển. Sự phát triển này sẽ tạo ra nhiều cơ hội mới cho các doanh nghiệp.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình phát triển sản xuất và phân phối, việc lưu thông, vận chuyển và phân loại hàng hóa truyền thống phụ thuộc chủ yếu vào sức lao động thủ công của con người theo quy trình tổ chức cơ bản. Phương thức thủ công này bộc lộ nhiều sai sót, năng suất hạn chế và gặp nhiều rào cản về mặt công nghệ khi mật độ lưu trữ và khối lượng luân chuyển gia tăng. Sự phát triển của khoa học kỹ thuật trong công nghiệp đã dẫn đến sự ra đời của các hệ thống logistics tự động và thông minh, trong đó hệ thống kho hàng tự động đóng vai trò hạt nhân nhằm tối ưu hóa hoạt động phân loại, vận chuyển và bảo quản sản phẩm.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án là thiết kế hệ thống dẫn động cho kho hàng tự động nhằm nâng cao tối đa hiệu quả vận hành, đồng thời xây dựng một hệ thống hoạt động đồng bộ theo mô hình tự động hóa hoàn chỉnh. Để hiện thực hóa mục tiêu này, tác giả đặt ra các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

1. Tổng quan lịch sử phát triển, vai trò, cấu trúc cơ bản và các phân loại công nghệ của kho hàng tự động trên thế giới.
2. Phân tích ưu điểm và nhược điểm của các giải pháp kỹ thuật, phần cứng, phần mềm quản lý và hệ thống cảm biến thông dụng trong kho tự động.
3. Khảo sát nguyên lý hoạt động, cấu tạo và thông số kỹ thuật của một số hệ thống dẫn động tiêu biểu từ các tập đoàn công nghiệp thực tế.
4. Xây dựng phương án thiết kế và nguyên lý hoạt động của hệ thống dẫn động bao gồm 3 mô-đun độc lập phục vụ cho kho hàng tự động.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống dẫn động cơ khí trong kho hàng tự động, tập trung vào các cơ cấu chấp hành chuyển động theo 3 phương không gian (cơ cấu nâng hạ, xe vận chuyển tịnh tiến và băng tải con lăn). Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong khuôn khổ Đồ án môn học I tại Trường Cơ khí – Đại học Bách khoa Hà Nội vào năm 2024, giới hạn ở mức độ phân tích tổng quan công nghệ, khảo sát giải pháp kỹ thuật công nghiệp và thiết kế nguyên lý động học cho hệ thống dẫn động 3 mô-đun.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết, đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết về hệ thống lưu trữ và truy xuất tự động (Automated Storage and Retrieval Systems - AS/RS), bao gồm cả phân loại bán tự động và tự động hoàn toàn. Cơ sở tính toán và thiết kế động học dựa trên các nguyên lý truyền động cơ khí cơ bản: bộ truyền bánh răng – thanh răng, bộ truyền xích, hộp giảm tốc và động cơ điện kết hợp biến tần. Về phương diện điều khiển và công nghệ thông tin công nghiệp, đề tài tiếp cận hệ thống phân cấp phần mềm quản lý kho gồm WMS (Warehouse Management System), WCS (Warehouse Control System), TMS (Transportation Management System) và Automation Management Software, cùng các công nghệ nhận dạng mã vạch (Barcode tiêu chuẩn UPC), mã phản hồi nhanh (QR Code) và nhận dạng tần số vô tuyến (RFID).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được tác giả áp dụng bao gồm:

• Phương pháp phân tích – tổng hợp tài liệu kỹ thuật: Thu thập, hệ thống hóa và phân loại các công nghệ kho tự động qua các giai đoạn lịch sử từ thập niên 1970 đến nay; phân tích cấu tạo và chức năng của từng thành phần phần cứng (băng tải, mô-đun nâng thẳng đứng VLM, pallet, robot xuất nhập, giá kệ) và phần mềm điều khiển.
• Phương pháp so sánh kỹ thuật: Thiết lập bảng đối sánh chi tiết về ưu điểm và nhược điểm của 8 hệ thống kho hàng tự động phổ biến hiện nay; đối sánh thông số kỹ thuật của các hệ thống dẫn động thương mại từ các hãng công nghệ lớn.
• Phương pháp thiết kế mô-đun hóa: Phân tách hệ thống dẫn động phức tạp của kho tự động thành 3 mô-đun chuyển động độc lập tương ứng với 3 trục không gian làm việc để đơn giản hóa quá trình dẫn động và điều khiển.

Nguồn dữ liệu của đồ án được trích xuất từ các tài liệu khoa học, sổ tay kỹ thuật chuyên ngành cơ khí – tự động hóa, thông số kỹ thuật công bố của các nhà sản xuất thiết bị công nghiệp (Amazon Robotics, Geek+, Dematic) và giáo trình đào tạo ngành cơ khí chế tạo máy.

Thiết kế và triển khai hệ thống dẫn động

Xuất phát từ việc phân tích ưu điểm và hạn chế của các hệ thống dẫn động thương mại, đồ án đề xuất giải pháp thiết kế hệ thống dẫn động cho kho hàng tự động gồm 3 mô-đun độc lập, phối hợp chuyển động theo 3 trục không gian:

1. Mô-đun 1 (Cơ cấu nâng hàng theo phương thẳng đứng):

• Chức năng: Đảm nhận chuyển động tịnh tiến lên và xuống của hệ thống nâng để đưa hàng hóa tiếp cận các tầng lưu trữ khác nhau trên giá kệ.
• Cấu tạo và nguyên lý: Động cơ sơ cấp tạo chuyển động quay với tốc độ lớn được nối với đầu vào của hộp giảm tốc. Đầu ra của hộp giảm tốc gắn với bánh răng dẫn động. Thanh răng được cố định theo phương thẳng đứng, do đó khi bánh răng quay sẽ lăn dọc theo chiều dài thanh răng, tạo ra chuyển động tịnh tiến thẳng đứng. Hệ thống con lăn phụ trợ được bố trí để giữ cân bằng và định hướng cho cơ cấu nâng trong suốt hành trình di chuyển.

2. Mô-đun 2 (Xe di chuyển tịnh tiến theo phương ngang dọc hành lang):

• Chức năng: Tạo ra chuyển động tịnh tiến theo phương ngang (vào, ra) dọc theo chiều dài của hành lang kho.
• Cấu tạo và nguyên lý: Động cơ điện nối với đầu vào của hộp giảm tốc gắn trên thân xe. Trục ra của hộp giảm tốc được liên kết với 2 bánh xe di chuyển thông qua bộ truyền xích. Bánh xe tiếp xúc với đường ray hoặc mặt sàn, biến đổi chuyển động quay từ bộ truyền xích thành chuyển động tịnh tiến của toàn bộ thân xe.

3. Mô-đun 3 (Hệ con lăn chuyển hàng theo phương ngang vuông góc):

• Chức năng: Thực hiện việc dịch chuyển hàng hóa theo phương ngang (trái, phải) để tiếp nhận hàng từ trạm xuất nhập hoặc đưa hàng vào/lấy hàng ra khỏi từng ô giá kệ.
• Cấu tạo và nguyên lý: Cụm con lăn được dẫn động bởi một động cơ biến tần thông qua bộ truyền xích đóng vai trò giảm tốc. Khi động cơ quay, bộ truyền xích truyền mô-men đến hệ con lăn, giúp con lăn quay đồng bộ và tạo ra lực ma sát đẩy kiện hàng hoặc pallet dịch chuyển theo phương ngang vuông góc với hướng di chuyển của xe.

Sự kết hợp đồng bộ của 3 mô-đun này cho phép hệ thống vận chuyển hàng hóa linh hoạt đến bất kỳ vị trí tọa độ nào trong không gian 3 chiều của kho tự động. Hệ thống dẫn động này được thiết kế để liên kết với cơ chế đọc mã Barcode/QR Code ở khâu phân loại đầu vào, các cảm biến vị trí, cảm biến tiệm cận và máy tính điều khiển trung tâm thông qua PLC.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về kho hàng tự động

Chương này trình bày tổng quan lịch sử hình thành, định nghĩa, vai trò, cấu trúc phần cứng và phần mềm của kho hàng tự động:

• Lịch sử phát triển: Vào những năm 1970, hệ thống AS/RS ba chiều tự động ra đời nhờ ứng dụng công nghệ máy tính, chủ yếu dùng lưu trữ thành phẩm và nguyên liệu thô. Đến những năm 1980, AS/RS mở rộng sang ngành sản xuất điện tử, cơ khí chính xác; phương tiện dẫn hướng tự động (AGV) và máy tính cá nhân xuất hiện giúp giảm chi phí và mở rộng sang doanh nghiệp vừa và nhỏ. Năm 1987, thiết bị Sorting Transfer Vehicle (STV) tốc độ cao, độ ồn thấp ra đời, trở thành thiết bị ngoại vi thiết yếu cho AS/RS. Đến nửa sau thập niên 1990, hệ thống mini load AS/RS được áp dụng rộng rãi trong nông nghiệp, bán buôn, bán lẻ và quản lý chuỗi cung ứng (SCM).
• Định nghĩa và phân loại: Kho tự động gồm 2 phần chính là phần mềm (điều khiển, quản lý robot, hàng hóa) và phần cứng (giá kệ cố định, robot cất lấy hàng, băng tải, hệ thống trả hàng). Hệ thống được chia thành:
  • Kho bán tự động (AS/RS bán tự động): Gồm nhóm 1 (vòng xoay ngang, vòng xoay đứng, mô-đun nâng thẳng đứng VLM) và nhóm 2 (hệ thống miniload, xe tự hành AGV).
  • Kho tự động hoàn toàn: Máy móc tự động hóa hoàn toàn, quản lý qua mạng LAN hoặc Internet, con người chỉ giám sát tổng quát.
• Vai trò và số liệu kỹ thuật: Giải quyết mật độ lưu trữ cao, tốc độ xuất nhập trung bình đạt 1 tấn hàng/phút/robot, công nghệ chuyển đường cho phép 1 robot phục vụ toàn bộ nhà kho, không cần hệ thống chiếu sáng, giảm thất thoát nhiệt trong kho lạnh, giảm chi phí nhân công và ứng dụng mã vạch (Barcode), thẻ từ (Transponder) theo chuẩn ISO.
• Đồ án tổng hợp ưu nhược điểm của 8 loại hình kho tự động phổ biến hiện nay:

Hệ thống kho	Ưu điểm chính	Nhược điểm chính
Hàng hóa giao tiếp với người (G2P)	Dễ sử dụng, tăng hiệu suất lao động, giảm lỗi nhân công, tăng tính linh hoạt, cải thiện trải nghiệm người dùng.	Chi phí đầu tư ban đầu cao, yêu cầu bảo trì đặc biệt, hạn chế tính năng phức tạp, yêu cầu không gian lắp đặt, nhạy cảm với môi trường.
Lưu trữ và truy xuất tự động (AS/RS)	Tiết kiệm không gian (mật độ cao), tăng hiệu suất truy cập nhanh, giảm lỗi nhân công, nâng cao độ chính xác, tăng cường an toàn.	Chi phí đầu tư thiết bị và phần mềm rất lớn, khả năng mở rộng hạn chế, yêu cầu bảo trì định kỳ nghiêm ngặt, rủi ro ngừng trệ khi có sự cố, đòi hỏi chuyên môn cao.
Robot di động tự động (AMR)	Linh hoạt cao, không cần hạ tầng cố định, tối ưu hóa di chuyển, có khả năng tương tác tránh va chạm, dễ tích hợp.	Chi phí đầu tư lớn, yêu cầu bảo trì định kỳ, đòi hỏi kỹ thuật vận hành cao, hạn chế trong môi trường khắc nghiệt, chịu ảnh hưởng của bụi và ánh sáng.
Xe tự hành (AGV)	Tối ưu hóa vận chuyển đường dài, trang bị cảm biến an toàn, dễ tích hợp với hệ thống hỗn hợp, quy trình làm việc linh hoạt.	Chi phí đầu tư cao, yêu cầu bảo trì thường xuyên, đòi hỏi nhân sự chuyên môn, hạn chế trong môi trường hẹp/phức tạp, phụ thuộc vào hạ tầng dẫn đường.
Hệ thống lấy sáng (Pick-to-Light)	Sử dụng đèn LED hướng dẫn trực quan, tăng tốc độ chọn đơn hàng, tiết kiệm năng lượng, tạo môi trường làm việc thuận tiện.	Chi phí triển khai lớn trên diện tích rộng, kiểm soát ánh sáng phụ thuộc môi trường bên ngoài, yêu cầu bảo trì định kỳ.
Hệ thống chiếu sáng (Put-to-Light)	Cung cấp chỉ dẫn chính xác trong khâu phân loại/bổ sung hàng, linh hoạt kết hợp với băng tải hoặc AS/RS, tiết kiệm điện năng.	Chi phí lắp đặt và bảo dưỡng tốn kém, đèn và linh kiện cần thay thế định kỳ, có thể gây căng thẳng mắt nếu không kiểm soát tốt.
Chọn và tác vụ bằng giọng nói (Voice Picking)	Dễ sử dụng, giải phóng tay và mắt cho nhân viên, tăng hiệu suất, hỗ trợ người khuyết tật, tích hợp linh hoạt.	Độ chính xác bị ảnh hưởng trong môi trường ồn ào, đa số yêu cầu kết nối Internet liên tục, phần cứng và phần mềm phức tạp, vấn đề bảo mật dữ liệu.
Hệ thống phân loại tự động	Năng suất phân loại rất cao, giảm sai sót nhờ RFID và mã vạch, tối ưu hóa không gian, điều chỉnh linh hoạt cho nhiều loại hàng.	Chi phí đầu tư ban đầu rất lớn, chi phí bảo trì và sửa chữa cao, yêu cầu trình độ kỹ thuật cao, sự cố gây gián đoạn toàn chuỗi.

• Cấu trúc cơ bản và các thiết bị phần cứng: Nhà kho gồm hệ thống dẫn động, hệ thống xuất nhập và hệ thống lưu giữ. Băng tải gồm 5 loại (băng tải trọng tải, băng tải trục, băng tải chuyển hướng, băng tải thang máng, băng tải tự động). Mô-đun nâng thẳng đứng (VLM) cấu tạo 3 cột với trục nâng ở giữa, cơ cấu khay đơn hoặc khay kép. Pallet làm bằng sắt, thép, gỗ, nhựa, giấy. Robot kho gồm AGV, AMR, AS/RS, robot palletizing và robot kiểm kê. Trong AS/RS, robot xuất nhập gồm cần cẩu tự động, robot lái cần cẩu (Crane-on-Rails), robot đứng cố định, AGV và AMR. Băng tải phân loại ID sử dụng Barcode tiêu chuẩn UPC và mã QR. Giá chứa hàng gồm kệ tải nặng (hàng nghìn kg/tầng), kệ chứa pallet (800 – 6000 kg/tầng), kệ Drive-in racking, kệ khuôn, kệ tải trung bình (300 – 700 kg/tầng).
• Hệ thống điều khiển: Máy tính điều khiển quản lý toàn bộ thiết bị, tích hợp 8 loại cảm biến (tiệm cận, áp suất, trọng lượng, hình ảnh, nhiệt độ, độ ẩm, vị trí, laser). Phần mềm quản lý được chia thành WMS, WCS, TMS và Automation Management Software.

Chương 2: Nguyên lý hoạt động và thông số kỹ thuật của hệ thống

Chương 2 đi vào khảo sát thực tế các hệ thống dẫn động thương mại của các công ty công nghệ lớn, làm căn cứ đề xuất giải pháp thiết kế cho đồ án:

• Hệ thống đai chuyền của Amazon Robotics: Sử dụng dây đai cao su hoặc nhựa chịu lực trên khung thép vững chắc, bộ truyền động động cơ điện và hệ thống điều khiển thông minh tích hợp cảm biến để di chuyển sản phẩm mượt mà, định vị chính xác vị trí trong kho.
• Hệ thống dẫn động sử dụng robot di động của Geek+: Thân robot trang bị bánh xe hoặc tracks, cảm biến Lidar, camera và cảm biến tiệm cận để tự định vị đường đi, nhận diện và tránh vật cản, điều khiển tối ưu hóa lộ trình phân phối hàng.
• Hệ thống AGV của Dematic: Xe tự hành dẫn hướng bằng dải dẫn, laser hoặc điểm định vị mặt sàn, sử dụng hệ thống động cơ điện và hộp số tạo sức đẩy lớn, điều khiển tập trung từ trung tâm quản lý để tự động hóa vận chuyển hàng nặng.

Thông số kỹ thuật khảo sát của ba hệ thống công nghiệp được tổng hợp trong bảng sau:

Thông số kỹ thuật	Hệ thống đai chuyền (Amazon Robotics)	Robot di động (Geek+)	Hệ thống AGV (Dematic)
Tốc độ di chuyển	Từ 0. (theo văn bản)	Từ 0. (theo văn bản)	Từ 1 đến 2. (theo văn bản)
Khả năng tải trọng	200 đến 1500 kg	200 đến 1500 kg	500 đến 5000 kg
Độ chính xác định vị	Sai số dưới 1 cm	Sai số dưới 1 cm	Sai số dưới 1 cm
Phương thức điều khiển	Tự động hoặc từ xa qua trung tâm	Tự động hoặc từ xa qua trung tâm	Tự động hoặc từ trung tâm quản lý
Cơ cấu dẫn động chính	Đai chuyền cao su/nhựa, động cơ điện	Bánh xe/tracks, động cơ, hộp số	Bánh xe/tracks, động cơ điện, hộp số
Thiết bị cảm biến chính	Cảm biến vị trí, phần mềm điều khiển	Lidar, camera, cảm biến tiệm cận	Lidar, camera, cảm biến tiệm cận

• Đề xuất phương án thiết kế của đồ án: Để khắc phục những hạn chế của các hệ thống trên, tác giả đề xuất phương án thiết kế hệ thống dẫn động gồm 3 mô-đun độc lập:
  • Cơ cấu nâng (mô-đun 1): Động cơ tốc độ cao nối hộp giảm tốc, bánh răng lăn trên thanh răng cố định thẳng đứng, có con lăn giữ cân bằng tạo chuyển động tịnh tiến dọc (lên/xuống).
  • Xe di chuyển (mô-đun 2): Động cơ nối hộp giảm tốc truyền động qua bộ truyền xích đến 2 bánh xe để di chuyển tịnh tiến ngang (vào/ra).
  • Hệ con lăn (mô-đun 3): Động cơ biến tần truyền động qua bộ truyền xích làm quay hệ con lăn, vận chuyển hàng hóa theo phương ngang vuông góc (trái/phải).

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật và đề xuất giải pháp cụ thể:

• Hoàn thành tổng quan toàn diện và có hệ thống về công nghệ kho hàng tự động, làm rõ quá trình phát triển từ các mốc lịch sử (1970, 1980, 1987, 1990) đến nay.
• Hệ thống hóa các số liệu định lượng về kho tự động: Tốc độ xuất nhập đạt mức trung bình 1 tấn hàng/phút/robot; dải tải trọng của các hệ thống dẫn động công nghiệp từ 200 – 1500 kg (Amazon Robotics, Geek+) đến 500 – 5000 kg (Dematic) với độ chính xác định vị sai số dưới 1 cm; khả năng chịu tải của các giá kệ công nghiệp (kệ trung bình 300 – 700 kg/tầng, kệ pallet 800 – 6000 kg/tầng, kệ tải nặng hàng nghìn kg/tầng).
• Xây dựng thành công phương án thiết kế hệ thống dẫn động kho hàng tự động theo cấu trúc 3 mô-đun độc lập, giải quyết bài toán định vị và vận chuyển hàng hóa trong không gian 3 chiều thông qua sự phối hợp của cơ cấu bánh răng – thanh răng, xe di chuyển dẫn động xích và cụm con lăn động cơ biến tần.
• Đề xuất mô hình tích hợp đồng bộ: Kết hợp hệ thống mã vạch (Barcode) phân loại hàng hóa ở cổng vào, mô-đun nâng vận chuyển hàng lên cao ổn định, xe lăn vận chuyển hàng theo phương ngang, hệ con lăn trên xe đưa hàng vào ô lưu trữ, và hệ thống giá kệ thông minh có các tầng tự chọn độ cao nhằm tối đa hóa diện tích chứa hàng.

Về mặt đóng góp, đồ án đã đưa ra một phương án kết cấu dẫn động cơ khí rõ ràng, phân định mạch lạc giữa các bậc tự do chuyển động. Giải pháp phân tách mô-đun giúp giảm thiểu độ phức tạp trong chế tạo, lắp ráp cơ khí và tạo thuận lợi cho việc lập trình điều khiển độc lập từng cơ cấu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung văn bản, đồ án tồn tại một số hạn chế và định hướng phát triển sau:

• Hạn chế: Hệ thống kho tự động nói chung có chi phí đầu tư ban đầu cao, đòi hỏi quy trình bảo trì, bảo dưỡng nghiêm ngặt và yêu cầu nhân lực vận hành có trình độ chuyên môn kỹ thuật cao. Về phạm vi nghiên cứu của đồ án, nội dung mới dừng lại ở mức độ khảo sát công nghệ, phân tích sơ đồ nguyên lý và thiết lập cấu trúc mô-đun động học; văn bản chưa cung cấp các bảng tính toán chi tiết về độ bền cơ học, công suất động cơ, tỷ số truyền cụ thể của hộp giảm tốc cũng như sơ đồ mạch điều khiển chi tiết. Các thông số vận tốc khảo sát ở Chương 2 còn để khuyết giá trị cụ thể (như ghi "Từ 0." hoặc "Từ 1 đến 2.").
• Hướng nghiên cứu tiếp: Tác giả nêu rõ phần điều khiển chuyên sâu cho hệ thống truyền động tự động sẽ tiếp tục được triển khai, nghiên cứu chi tiết hơn trong các đồ án chuyên ngành tiếp theo. Hướng mở rộng bao gồm việc xây dựng thuật toán điều khiển qua PLC, tích hợp mạng truyền thông công nghiệp và kiểm nghiệm thực nghiệm hoạt động của 3 mô-đun dẫn động.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên và giảng viên các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Công nghiệp, Tự động hóa và Logistics đang thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp liên quan đến tự động hóa kho bãi.
• Những người nghiên cứu thiết kế hệ thống AS/RS: Đáng tham khảo nhất là bảng tổng hợp so sánh ưu – nhược điểm của 8 mô hình kho tự động, hệ thống phân loại cảm biến (8 loại cảm biến cơ bản) và phân cấp 4 nhóm phần mềm quản lý kho (WMS, WCS, TMS, Automation Management Software).
• Phần phân tích nguyên lý cấu tạo 3 mô-đun dẫn động độc lập (nâng hạ bằng bánh răng – thanh răng, xe ngang dẫn động xích và con lăn biến tần) là nguồn tham khảo hữu ích cho việc lên ý tưởng cấu trúc cơ điện tử cho các mô hình kho thông minh cỡ nhỏ và vừa.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương án thiết kế hệ thống dẫn động do tác giả đề xuất gồm những mô-đun nào và cơ cấu truyền động chính là gì? Hệ thống gồm 3 mô-đun độc lập: Mô-đun 1 là cơ cấu nâng hạ sử dụng hộp giảm tốc nối với hệ bánh răng – thanh răng thẳng đứng kết hợp con lăn giữ thăng bằng; Mô-đun 2 là xe di chuyển tịnh tiến ngang dọc hành lang sử dụng hộp giảm tốc truyền động xích đến 2 bánh xe; Mô-đun 3 là hệ con lăn trên xe sử dụng động cơ biến tần truyền động xích để vận chuyển hàng hóa theo phương ngang vuông góc vào/ra giá kệ.

2. Tốc độ xuất nhập hàng hóa trung bình của robot trong kho tự động được nêu trong văn bản là bao nhiêu? Theo văn bản tại Chương 1, hệ thống kho hàng tự động có tốc độ xuất nhập trung bình đạt 1 tấn hàng/phút/robot.

3. Thiết bị Sorting Transfer Vehicle (STV) ra đời vào thời gian nào và có vai trò gì trong hệ thống AS/RS? STV được phát triển vào năm 1987 với đặc tính dẫn hướng tốc độ cao, công suất lớn, độ ồn cực thấp và có khả năng điều khiển phi tập trung tự động. Thiết bị này giúp tiêu chuẩn hóa hệ thống, nâng cao độ tin cậy, giảm thời gian giao hàng, giảm chi phí và trở thành thiết bị ngoại vi thiết yếu cho AS/RS.

4. Ba hệ thống dẫn động công nghiệp được khảo sát ở Chương 2 có khả năng tải trọng và độ chính xác định vị ra sao? Hệ thống đai chuyền của Amazon Robotics và robot di động của Geek+ có tải trọng từ 200 đến 1500 kg; hệ thống AGV của Dematic có tải trọng từ 500 đến 5000 kg. Cả ba hệ thống đều đạt độ chính xác định vị với sai số dưới 1 cm.

5. Đồ án phân loại phần mềm quản lý kho tự động thành những nhóm chuyên dụng nào? Hệ thống phần mềm được phân thành 4 nhóm chính: Phần mềm quản lý kho (WMS), Phần mềm điều khiển kho (WCS), Phần mềm quản lý vận chuyển (TMS) và Phần mềm quản lý tự động (Automation Management Software).

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống dẫn động cho kho hàng tự động" của sinh viên Cao Mạnh Đạt (Trường Cơ khí – Đại học Bách khoa Hà Nội) đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở công nghệ của kho tự động và hệ thống AS/RS hiện đại. Bằng việc phân tích ưu nhược điểm của các giải pháp kho bãi và khảo sát thông số kỹ thuật thực tế từ các tập đoàn công nghiệp, tác giả đã đề xuất thành công phương án dẫn động cơ khí gồm 3 mô-đun chuyển động độc lập (nâng thẳng đứng bằng bánh răng – thanh răng, xe tịnh tiến bằng bộ truyền xích và hệ con lăn dẫn động biến tần). Công trình là tài liệu tham khảo có cấu trúc rõ ràng, cung cấp dữ liệu phân loại hữu ích và giải pháp kết cấu cơ điện tử khả thi cho các đề tài nghiên cứu về hệ thống kho hàng thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHO HÀNG TỰ ĐỘNG 1.1 Tổng quan về kho hàng tự động 1.1 Lịch sử ra đời và phát triển của hệ thống kho hàng tự động Từ trước kia , con người chúng ta đã phát triển việc lưu thông , vận tải , phân loại hàng hóa thông qua sức lao động của con người theo 1 hệ thống có tổ chức nhằm đưa đến cho người dùng những mặt hàng , sản phẩm đúng yêu cầu , mục đích và an toàn. Tuy nhiên , việc sử dụng sức lao động của con người để làm việc trên luôn có sai sót dẫn đến nhiều bất cập , vấn đề. Và cũng do một phần về sự hạn chế về công nghệ nên việc phân loại , vận chuyển hàng hóa lại càng khó khăn hơn. Chính vì thế , con người đã mở ra 1 kỉ nguyên mới về khoa học công nghệ nhằm nâng cao , phát triển và thay đổi nhận thức trong công việc, giáo dục , v.v…cũng như phải kể tên đến là khoa học kĩ thuật trong công nghiệp.

Khoa học kĩ thuật đã phát triển rất nhiều lĩnh vực trong đời sống ,trong số đó việc phát triển vận chuyển , phân loại hàng hóa tự động thông minh cũng là nhiệm vụ quan trọng. Đó chính là hệ thống kho hàng tự động. Vào những năm 70 của thế kỉ trước , các hệ thống kho hàng đã được thúc đẩy nhờ việc áp dụng các công nghẹ máy tính. Lấy ví dụ , hệ thống lưu trữ và truy xuất tự động (AS/RS) là hệ thống cho phép các nhà kho trở nên ba chiều và tự động, đồng thời chúng chủ yếu được các nhà sản xuất sử dụng để lưu trữ thành phẩm và nguyên liệu thô cho đến đầu thế kỷ 20, những năm 1970.1 Một trong những kho tự động lớn nhất những năm 1970 2 Đến những năm 80 của thế kỉ 20 ,các ứng dụng của AS/RS được mở rộng từ việc tập trung vào lưu trữ thành phẩm trước đây sang bao gồm các địa điểm sản xuất, bao gồm sản xuất điện, điện tử và máy móc chính xác.

Những nhà kho này được sử dụng làm thiết bị cho phép thiết lập ban đầu giữa các khoang và trong khoang, phân loại với khả năng lưu trữ và cung cấp các bộ phận cũng như khả năng đệm cho phép hoạt động 24 giờ một ngày. Trong bối cảnh đó, các nhà kho tự động trong khoang và trong khoang cũng như phương tiện dẫn hướng tự động (AGV) đã được phát triển, cùng với hệ thống sản xuất được tích hợp đến tận cơ sở sản xuất bằng máy tính. Cùng với sự kết hợp của môi trường kinh tế và tình trạng thiếu nhân lực từ giữa những năm 1980, AS / RS, vốn chủ yếu được giao cho các tập đoàn lớn, cũng được các nhà sản xuất quy mô vừa và nhỏ áp dụng, và thị trường mở rộng với tốc độ nhanh chóng. kết quả là.

Sự phổ biến của máy tính cá nhân bắt đầu theo kịp với những phát triển này và việc phát triển các hệ thống quản lý hàng tồn kho tương đối rẻ tiền sử dụng máy tính cá nhân và các gói phần mềm đã trở nên khả thi. Với những phát triển này, AS / RS quy mô nhỏ thường được tiến hành quản lý hàng tồn kho đồng bộ với việc lưu trữ và truy xuất hàng hóa thông qua điều khiển máy tính. Vào những năm 1990 , bắt đầu có sự xuất hiện của nhiều hệ thống dẫn động công suất cao khác nhau. Các ngành công nghiệp ngoài sản xuất bắt đầu áp dụng kho tự động, bao gồm nông nghiệp, công nghiệp bán buôn và bán lẻ, kho bãi, ngân hàng, bảo hiểm và các cơ quan công quyền.