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

• Trường học: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Kho Hàng Tự Động Tại Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT
• 1.1. Tổng quan về kho hàng tự động
• 1.2. Tìm hiểu chung về hệ thống lưu trữ hàng hóa
• 1.3. Hệ thống cất lấy hàng hóa tự động ASRS (Automated Storage and Retrieval System)
• 1.4. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống kho tự động
• 1.5. Nguyên lý hoạt động của hệ thống dẫn động cho kho hàng tự động
• 1.5.1. Quá trình xuất - nhập
• 1.5.2. Quá trình vận chuyển
• 1.5.3. Quá trình lưu giữ
• 1.6. Các bộ phận chuyển động chính của kho hàng tự động
• 1.6.1. Hệ thống Robot nâng tịnh tiến dọc trục Z
• 1.6.2. Xe di chuyển dọc trục X
• 1.6.3. Hệ băng truyền con lăn di chuyển hàng dọc trục Y
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG CƠ KHÍ
• 2.1. Cơ cấu xe di chuyển
• 2.2. Tính toán chọn động cơ
• 2.3. Thiết kế bộ truyền xích
• 2.4. Thiết kế trục và chọn ổ lăn
• 2.5. Tính toán chọn phanh
• 2.6. Cơ cấu cụm xe nâng
• 2.7. Tính toán chọn động cơ
• 2.8. Thiết kế trục và chọn ổ lăn
• 2.9. Chọn khớp nối
• 2.10. Tính toán chọn phanh
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BẢN VẼ LẮP
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Toàn cảnh thiết kế hệ thống kho hàng tự động tại Bách Khoa

Bài viết này phân tích chi tiết công trình nghiên cứu khoa học về thiết kế hệ thống kho hàng tự động, một chủ đề trọng tâm trong lĩnh vực logistics 4.0 tại Đại học Bách Khoa Hà Nội. Dựa trên đồ án của sinh viên Viện Cơ khí, nội dung sẽ đi sâu vào các nguyên lý hoạt động, quy trình tính toán và lựa chọn thiết bị cho một hệ thống kho thông minh điển hình. Mục tiêu là cung cấp một cái nhìn tổng quan, mang tính học thuật và thực tiễn về cách các kỹ sư tương lai tại HUST tiếp cận và giải quyết bài toán tự động hóa kho hàng. Các giải pháp công nghệ như hệ thống AS/RS, robot tự hành AGV (mặc dù trong đồ án là xe di chuyển chuyên dụng), và phần mềm quản lý kho WMS được xem là những trụ cột không thể thiếu. Nghiên cứu này không chỉ là một đồ án tốt nghiệp kho tự động mà còn là minh chứng cho năng lực ứng dụng công nghệ cao vào chuỗi cung ứng, một xu hướng tất yếu trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Các chương sau sẽ làm rõ từng thành phần, từ việc phân tích nguyên lý, tính toán cơ khí cho hệ dẫn động đến việc xây dựng bản vẽ lắp hoàn chỉnh, thể hiện một quy trình thiết kế bài bản và khoa học. Đây là tài liệu tham khảo giá trị cho các sinh viên và kỹ sư quan tâm đến việc tối ưu hóa vận hành kho bãi.

1.1. Giới thiệu tổng quan về đề tài và mục tiêu nghiên cứu

Đề tài “Thiết kế hệ thống dẫn động của kho hàng tự động” là một nghiên cứu khoa học HUST tiêu biểu, giải quyết nhu cầu cấp thiết về hiện đại hóa kho bãi tại Việt Nam. Mục tiêu chính của đồ án là tính toán và thiết kế một hệ thống cơ khí hoàn chỉnh, có khả năng vận chuyển, cất giữ và truy xuất hàng hóa một cách tự động. Công trình tập trung vào việc khắc phục các nhược điểm của kho hàng truyền thống như: tốn diện tích, khó kiểm soát số lượng, và phụ thuộc nhiều vào sức người. Bằng cách ứng dụng các nguyên tắc cơ khí, tự động hóa và hệ thống điều khiển, đề tài hướng tới việc xây dựng một mô hình hệ thống kho thông minh có tính ứng dụng cao, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động và giảm chi phí vận hành cho doanh nghiệp.

1.2. Tầm quan trọng của tự động hóa kho hàng trong kỷ nguyên 4.0

Trong bối cảnh cách mạng công nghiệp 4.0, tự động hóa kho hàng đóng vai trò xương sống của một chuỗi cung ứng thông minh. Việc chuyển đổi từ kho thủ công sang kho tự động giúp doanh nghiệp tăng tốc độ xử lý đơn hàng, giảm thiểu sai sót, tối ưu hóa không gian lưu trữ và đảm bảo an toàn lao động. Các công nghệ như IoT trong quản lý kho, robot tự hành, và phần mềm phân tích dữ liệu cho phép quản lý hàng tồn kho theo thời gian thực, dự báo nhu cầu và tự động hóa toàn bộ quy trình từ nhập hàng đến xuất hàng. Đây không còn là một lựa chọn, mà là một yêu cầu bắt buộc để nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường.

II. Phân tích thách thức kho truyền thống sự cần thiết tự động hóa

Kho hàng truyền thống tại Việt Nam đang đối mặt với nhiều thách thức cố hữu, làm cản trở hiệu quả hoạt động của toàn bộ chuỗi cung ứng. Theo phân tích trong luận văn Bách Khoa Hà Nội, các nhược điểm chính bao gồm việc sử dụng quá nhiều diện tích mặt bằng, quy trình bốc xếp thủ công tốn nhiều nhân công và thời gian, khó khăn trong việc phân loại và kiểm kê hàng hóa chính xác. Hàng hóa thường bị xếp chồng, dẫn đến nguy cơ hư hỏng và khó truy xuất. Những hạn chế này trực tiếp làm tăng chi phí vận hành và giảm khả năng đáp ứng nhanh chóng của doanh nghiệp. Do đó, việc thiết kế hệ thống kho hàng tự động không chỉ là một cải tiến mà là một giải pháp chiến lược. Hệ thống này giúp giải quyết triệt để các vấn đề trên bằng cách tận dụng không gian theo chiều cao, sử dụng robot thay thế con người trong các công việc nặng nhọc và lặp đi lặp lại, và quản lý mọi hoạt động thông qua một hệ thống máy tính trung tâm, đảm bảo độ chính xác gần như tuyệt đối. Sự chuyển đổi này là bước đi cần thiết để doanh nghiệp Việt Nam hội nhập vào nền kinh tế số toàn cầu.

2.1. Nhược điểm cố hữu của hệ thống lưu trữ hàng hóa thủ công

Hệ thống lưu trữ thủ công bộc lộ nhiều điểm yếu chí mạng. Thứ nhất, lãng phí không gian là vấn đề lớn nhất, khi các kho hàng không tận dụng được chiều cao và yêu cầu lối đi rộng cho xe nâng người lái. Thứ hai, sự phụ thuộc vào con người dẫn đến năng suất không ổn định và tỷ lệ sai sót cao trong việc kiểm đếm và lấy hàng. Thứ ba, việc quản lý tồn kho thường dựa trên giấy tờ hoặc các file excel đơn giản, gây khó khăn trong việc truy xuất dữ liệu theo thời gian thực và đưa ra quyết định kịp thời. Cuối cùng, môi trường làm việc trong kho truyền thống tiềm ẩn nhiều rủi ro về an toàn lao động. Những nhược điểm này làm giảm hiệu quả và tăng chi phí ẩn trong vận hành.

2.2. Lợi ích vượt trội của giải pháp kho hàng tự động AS RS

Hệ thống cất/lấy hàng tự động (Automated Storage and Retrieval System - hệ thống AS/RS) mang lại những lợi ích đột phá. Giải pháp này cho phép mật độ lưu trữ hàng hóa tăng lên đáng kể nhờ các dãy kệ cao và lối đi hẹp cho robot. Tốc độ xuất nhập hàng hóa được cải thiện rõ rệt, đáp ứng yêu cầu xử lý đơn hàng lớn trong thời gian ngắn. Quan trọng hơn, hệ thống hoạt động 24/7 trong môi trường không cần chiếu sáng, giúp tiết kiệm chi phí năng lượng. Việc quản lý bằng phần mềm quản lý kho WMS và công nghệ mã vạch đảm bảo độ chính xác 100%, loại bỏ hoàn toàn các sai sót do con người. Chi phí nhân công được cắt giảm tối đa, đồng thời tăng cường an ninh và an toàn cho toàn bộ kho hàng.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống kho hàng tự động cốt lõi

Một thiết kế hệ thống kho hàng tự động thành công đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa nhiều thành phần công nghệ. Trọng tâm của hệ thống là cơ cấu vận hành ba chiều, bao gồm hệ thống nâng hạ theo trục Z, xe di chuyển ngang theo trục X, và hệ thống băng tải xuất/nhập hàng theo trục Y. Theo đồ án nghiên cứu tại Đại học Bách Khoa Hà Nội, hệ thống này được cấu thành từ ba phần chính: hệ thống vận chuyển, hệ thống xuất nhập, và hệ thống lưu giữ. Hệ thống vận chuyển sử dụng robot bốc xếp hàng (cụ thể là một cơ cấu nâng tích hợp xe di chuyển) và băng tải tự động. Hệ thống xuất nhập ứng dụng công nghệ mã vạch để định danh và theo dõi vị trí chính xác của từng đơn vị hàng hóa. Hệ thống lưu giữ được quản lý bởi phần mềm, giúp tối ưu hóa layout kho và kiểm soát toàn bộ hoạt động. Cách tiếp cận này đảm bảo một giải pháp logistics 4.0 toàn diện, từ khâu cơ khí chế tạo đến điều khiển và quản lý thông tin, tạo ra một hệ sinh thái kho vận hành liền mạch và hiệu quả.

3.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống 3 trục X Y Z

Nguyên lý hoạt động của hệ thống được mô tả như một robot di chuyển trong không gian 3 chiều. Hệ thống Robot nâng tịnh tiến dọc trục Z có nhiệm vụ đưa toàn bộ cụm công tác lên xuống giữa các tầng kệ. Xe di chuyển dọc trục X chạy trên ray dẫn hướng để tiếp cận các cột kệ khác nhau trong cùng một dãy. Cuối cùng, hệ băng truyền con lăn di chuyển hàng dọc trục Y thực hiện thao tác đưa hàng vào hoặc lấy hàng ra khỏi ô chứa. Sự phối hợp nhịp nhàng của ba trục này, được điều khiển bởi một hệ thống điều khiển tự động (thường là PLC), cho phép robot tiếp cận bất kỳ vị trí nào trong kho một cách nhanh chóng và chính xác.

3.2. Vai trò của phần mềm quản lý kho WMS và công nghệ mã vạch

Nếu hệ thống cơ khí là cơ bắp, thì phần mềm quản lý kho WMS (Warehouse Management System) chính là bộ não. WMS chịu trách nhiệm quản lý toàn bộ dữ liệu của kho: vị trí hàng hóa, số lượng tồn kho, lịch sử xuất/nhập, và tối ưu hóa các lệnh di chuyển cho robot. Công nghệ mã vạch đóng vai trò là cầu nối giữa thế giới vật lý và hệ thống phần mềm. Mỗi sản phẩm và vị trí ô chứa đều được gán một mã vạch duy nhất. Khi robot quét mã, thông tin ngay lập tức được cập nhật lên WMS, đảm bảo dữ liệu luôn chính xác và minh bạch, loại bỏ hoàn toàn việc kiểm kê thủ công.

IV. Hướng dẫn tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí chi tiết

Phần cốt lõi của thiết kế hệ thống kho hàng tự động nằm ở việc tính toán và thiết kế hệ dẫn động cơ khí một cách chính xác. Đồ án của sinh viên Viện Cơ khí Bách Khoa đã trình bày chi tiết quy trình này, tập trung vào hai cụm chính: cơ cấu xe di chuyển ngang và cơ cấu cụm xe nâng. Quá trình thiết kế bắt đầu từ việc xác định các thông số kỹ thuật đầu vào như tải trọng, vận tốc yêu cầu, và thời gian phục vụ. Dựa trên đó, các bước tính toán công suất động cơ, thiết kế bộ truyền (bộ truyền xích, bánh răng - thanh răng), thiết kế trục, và lựa chọn các chi tiết máy tiêu chuẩn như ổ lăn, khớp nối, phanh từ được thực hiện. Việc sử dụng các công thức sức bền vật liệu và nguyên lý máy giúp đảm bảo hệ thống không chỉ hoạt động đúng chức năng mà còn phải bền bỉ, an toàn và ổn định trong suốt vòng đời hoạt động. Mỗi lựa chọn thiết kế đều được kiểm nghiệm lại về độ bền, khả năng tải tĩnh và tải động, cho thấy sự cẩn trọng và khoa học trong nghiên cứu.

4.1. Tính toán và lựa chọn động cơ cho cụm xe di chuyển ngang Trục X

Để thiết kế cụm xe di chuyển, bước đầu tiên là xác định công suất yêu cầu. Công suất này được tính toán dựa trên tổng các lực cản, bao gồm lực quán tính (phụ thuộc vào khối lượng và gia tốc) và lực ma sát. Từ công suất yêu cầu và số vòng quay mong muốn tại trục công tác, người thiết kế sẽ tính toán ra số vòng quay sơ bộ của động cơ thông qua tỉ số truyền của hộp giảm tốc và bộ truyền xích. Dựa trên hai thông số chính là công suất và số vòng quay, một động cơ điện phù hợp sẽ được lựa chọn từ catalogue của nhà sản xuất. Đồ án đã lựa chọn động cơ mã GL-71M-4 có công suất 0.25 kW và tốc độ 1500 vòng/phút, đảm bảo đáp ứng được yêu cầu vận hành của xe.

4.2. Thiết kế hệ thống truyền động cho cụm nâng hạ Trục Z

Cơ cấu nâng hạ chịu tải trọng lớn nhất trong toàn hệ thống, bao gồm trọng lượng của chính nó, của xe di chuyển và của hàng hóa. Quá trình tính toán công suất động cơ cho cụm này phức tạp hơn, đòi hỏi phải phân tích lực và moment tại các điểm chịu lực. Hệ thống truyền động sử dụng bộ truyền bánh răng - thanh răng để biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến lên xuống. Đồ án đã thực hiện các bước tính toán chi tiết để chọn động cơ, thiết kế trục bánh răng, chọn ổ lăn và khớp nối. Đặc biệt, việc tính toán và lựa chọn phanh điện từ là cực kỳ quan trọng để đảm bảo an toàn, giữ cho cơ cấu nâng không bị trôi xuống khi mất điện đột ngột. Các cảm biến và cơ cấu chấp hành như công tắc hành trình cũng được tích hợp để giới hạn chuyển động và định vị chính xác.

V. Mô phỏng và ứng dụng thực tiễn của kho tự động Bách Khoa

Từ những tính toán lý thuyết, việc mô phỏng hệ thống kho và xây dựng bản vẽ lắp là bước quan trọng để hiện thực hóa ý tưởng. Đây là giai đoạn kiểm tra tính đúng đắn của toàn bộ quá trình thiết kế hệ thống kho hàng tự động, cho phép phát hiện các sai sót tiềm ẩn trước khi chế tạo. Trong khuôn khổ đồ án tại Đại học Bách Khoa Hà Nội, việc xây dựng bản vẽ lắp chi tiết bằng phần mềm CAD (như SolidWorks, AutoCAD) là yêu cầu bắt buộc. Bản vẽ này không chỉ thể hiện hình dáng, kết cấu tổng thể mà còn mô tả mối ghép và vị trí của từng chi tiết máy. Mặc dù đồ án tập trung vào thiết kế cơ khí, hướng phát triển tiếp theo sẽ là sử dụng các phần mềm mô phỏng động học và động lực học (như ANSYS, Adams) hoặc mô phỏng hệ thống (FlexSim, Arena) để phân tích hiệu suất, tối ưu hóa quy trình và đánh giá các kịch bản vận hành khác nhau. Kết quả từ mô phỏng sẽ là cơ sở vững chắc để triển khai một mô hình vật lý hoặc áp dụng vào thực tế sản xuất.

5.1. Xây dựng bản vẽ lắp và mô hình hóa 3D hệ thống cơ khí

Chương 3 của đồ án tập trung vào việc xây dựng bản vẽ lắp tổng thể. Đây là sản phẩm cuối cùng của quá trình thiết kế, tổng hợp tất cả các chi tiết đã được tính toán và lựa chọn. Bản vẽ 3D cho phép hình dung một cách trực quan về cấu trúc của hệ thống kho thông minh, cách các bộ phận như cụm nâng, xe di chuyển, băng tải tự động và hệ thống khung kệ liên kết với nhau. Bản vẽ kỹ thuật 2D cung cấp đầy đủ thông số về kích thước, dung sai, vật liệu và các yêu cầu kỹ thuật khác, phục vụ trực tiếp cho quá trình gia công và chế tạo. Quá trình này đảm bảo tính khả thi và chính xác của thiết kế trước khi đưa vào sản xuất.

5.2. Đánh giá kết quả và tiềm năng ứng dụng của đồ án nghiên cứu

Đồ án đã hoàn thành xuất sắc mục tiêu đề ra là tính toán và thiết kế thành công hệ dẫn động cơ khí cho một kho hàng tự động. Các kết quả tính toán chi tiết, việc lựa chọn thiết bị hợp lý và bản vẽ lắp hoàn chỉnh đã chứng minh tính đúng đắn của phương pháp luận. Công trình này có tiềm năng ứng dụng cao, có thể được phát triển thành một mô hình hệ thống kho thông minh thu nhỏ cho các phòng thí nghiệm tại Viện Điện tử - Viễn thông HUST hoặc Viện Cơ khí Bách Khoa. Xa hơn, nó có thể làm cơ sở để phát triển các giải pháp thương mại cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ tại Việt Nam, những đơn vị đang có nhu cầu tự động hóa kho hàng với chi phí đầu tư hợp lý.