Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu sản xuất và lưu chuyển hàng hóa gia tăng nhanh chóng, đòi hỏi các giải pháp lưu trữ hiện đại nhằm khắc phục những hạn chế của phương thức kho bãi truyền thống. Phương pháp lưu kho thủ công hiện nay bộc lộ nhiều nhược điểm lớn:

  • Chiếm dụng nhiều diện tích mặt bằng nhà xưởng.
  • Khó phân loại các chủng loại hàng hóa riêng biệt khi xếp chung không gian.
  • Khả năng bảo quản hàng hóa kém khi lưu trữ số lượng lớn do hiện tượng xếp chồng đè nén.
  • Khó khăn trong việc kiểm soát, theo dõi số lượng hàng hóa xuất - nhập chính xác.

Sự xuất hiện của các hệ thống tự động hóa kho hàng giúp tối ưu hóa diện tích sử dụng, nâng cao tính khoa học, linh hoạt trong quản lý và giảm thiểu chi phí vận hành. Trên thế giới, việc ứng dụng các phương tiện tự hành và hệ thống tự động lưu kho đã phát triển mạnh mẽ. Tại Việt Nam, quá trình tự động hóa sản xuất và kho bãi đã bước đầu được triển khai nhưng vẫn còn mới mẻ và hạn chế, đòi hỏi đội ngũ kỹ sư phải nắm vững kiến thức tính toán, thiết kế và chế tạo các cơ cấu dẫn động tự hành phục vụ công nghiệp.

Từ yêu cầu thực tiễn đó, đồ án "Thiết kế hệ thống dẫn động của kho hàng tự động" được thực hiện tại Trường Cơ khí – Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn của thầy Vũ Văn Quang và do sinh viên Trần Nguyễn Hoàng Sơn (MSSV: 20195814, Lớp: 729127) thực hiện, hoàn thành vào tháng 08/2023.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Phân tích nguyên lý vận hành tổng thể và xác lập các thông số kỹ thuật đầu vào của hệ thống kho hàng tự động.
  2. Tính toán thiết kế chi tiết động học và động lực học hệ thống dẫn động cơ khí cho cụm xe di chuyển ngang và cụm cơ cấu nâng.
  3. Lựa chọn động cơ điện, bộ truyền xích, khớp nối đàn hồi, trục, ổ lăn và hệ thống phanh an toàn.
  4. Xây dựng bản vẽ lắp cơ khí tổng thể và mô phỏng hoạt động của hệ thống.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế cơ khí và hệ thống dẫn động 3 bậc tự do (3 trục tọa độ X, Y, Z) cho kho hàng tự động kiểu ASRS (Automated Storage and Retrieval System).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án ứng dụng cơ sở lý thuyết về hệ thống cất lấy hàng tự động ASRS kết hợp với phương pháp tính toán thiết kế chi tiết máy và hệ dẫn động cơ khí truyền thống:

  • Khung lý thuyết ASRS: Phân tích cấu trúc nhà kho dạng hành lang với các khoang chứa hai bên, trạm xuất nhập ở đầu hành lang, cơ cấu chấp hành di chuyển tịnh tiến 3 trục tọa độ: trục ngang (X), trục nâng hạ (Z) và trục xuất nhập hàng theo phương sâu khoang chứa (Y).
  • Phương pháp tính toán thiết kế cơ khí:
    • Tính toán động học và xác định công suất phát động dựa trên điều kiện lực cản tĩnh và lực quán tính.
    • Phân tích hệ tĩnh định và giải bài toán siêu tĩnh bằng phương pháp tách đôi hệ kết cấu đối xứng để xác định phản lực liên kết, momen uốn và momen xoắn.
    • Tính toán độ bền mòn, độ bền tiếp xúc và kiểm nghiệm hệ số an toàn cho bộ truyền xích con lăn.
    • Tính toán sức bền trục theo momen tương đương (thuyết bền thế năng biến đổi hình dáng) và kiểm nghiệm khả năng tải động, tải tĩnh của ổ lăn.
  • Nguồn tài liệu và tiêu chuẩn tra cứu: Đồ án sử dụng các công thức và bảng thông số chuẩn từ giáo trình Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí (Tập 1 và Tập 2) của Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, Sổ tay thiết kế cơ khí (Tập 1) do PGS. Hà Văn Vui chủ biên, và giáo trình Dung sai lắp ghép và kỹ thuật đo lường của PGS. Ninh Đức Tốn.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống dẫn động cơ khí của kho hàng tự động được phân chia thành 3 cơ cấu chuyển động độc lập tương ứng với 3 trục tọa độ:

[Hệ thống dẫn động kho hàng tự động]

1. Cơ cấu di chuyển xe theo trục X

  • Xe mang hàng di chuyển tịnh tiến trên hệ ray thép dẫn hướng nhờ 4 bánh xe bằng nhựa polyurethane (PU) có đường kính bánh xe $d_8 = 130\text{ mm}$, hệ số ma sát lăn giữa PU và thép $f_1 = 0{,}12$.
  • Dẫn động thông qua động cơ điện gắn hộp giảm tốc trục vít - bánh vít và bộ truyền xích ống con lăn đơn bước xích $p = 12{,}7\text{ mm}$.
  • Định vị vị trí dừng bằng cảm biến quang và công tắc hành trình tại từng cửa khoang chứa.

2. Cơ cấu xe nâng hạ theo trục Z

  • Giá nâng đỡ toàn bộ cụm xe di chuyển ngang và hệ băng tải con lăn, tịnh tiến theo phương thẳng đứng nhờ cơ cấu bánh răng - thanh răng ($d_3 = 160\text{ mm}$).
  • Truyền động từ động cơ giảm tốc công suất $0{,}25\text{ kW}$ qua khớp nối vòng đàn hồi đến trục bánh răng dẫn động ăn khớp với thanh răng gắn trên cột dẫn hướng cố định.
  • Cơ cấu sử dụng phanh điện từ thường đóng lắp tại đuôi động cơ để khóa vị trí giá nâng khi ngắt điện hoặc gặp sự cố bất ngờ.

3. Cơ cấu xuất nhập hàng theo trục Y

  • Sử dụng hệ băng tải con lăn cơ khí lắp trực tiếp trên bàn xe di chuyển.
  • Động cơ đầu trục truyền chuyển động qua bộ truyền xích đến con lăn chủ động, sau đó truyền động liên hoàn sang các con lăn bị động để tịnh tiến hàng hóa vào hoặc ra khỏi ngăn kệ chứa.

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương này trình bày tổng quan về các dạng kho hàng hiện đại, phân tích nguyên lý cấu tạo và quy trình vận hành của hệ thống ASRS. Cấu trúc kho hàng gồm 3 phân hệ chính: hệ thống xuất nhập (nhận/trả hàng qua mã vạch Barcode chuẩn UPC và điều khiển PLC), hệ thống vận chuyển (xe tự hành, robot nâng, băng chuyền), và hệ thống lưu giữ (phần mềm quản trị cơ sở dữ liệu, cảm biến báo khói nhiệt và còi báo động $90\text{ dB}$).

Các thông số kỹ thuật thiết kế ban đầu được xác lập:

  • Thời gian phục vụ: $l_h = 18.000\text{ giờ}$.
  • Chế độ tải trọng: Va đập vừa.
  • Cụm xe nâng: Đường kính lăn bánh răng nâng $d_3 = 160\text{ mm}$; chiều cao xe nâng $h = 325\text{ mm}$; chiều dài xe nâng $L = 1300\text{ mm}$; vận tốc nâng $V_n = 2{,}4\text{ m/phút}$; trọng lượng tối đa xe nâng $G_n = 190\text{ kg}$.
  • Cụm xe di chuyển ngang: Trọng lượng tối đa của hàng và xe $G_d = 70\text{ kg}$ (trong đó xe đẩy $30\text{ kg}$, hàng hóa $40\text{ kg}$); đường kính bánh xe $d_8 = 130\text{ mm}$; vận tốc di chuyển $V_x = 5{,}0\text{ m/phút}$; chiều dài xe $L_1 = 1000\text{ mm}$; chiều dài vùng đặt hàng $L_2 = 700\text{ mm}$.

Chương 2: Tính toán, thiết kế hệ dẫn động cơ khí

Chương 2 là nội dung trọng tâm của đồ án, bao gồm toàn bộ quá trình giải tích cơ học, tính toán công suất và lựa chọn linh kiện tiêu chuẩn cho hai cụm dẫn động chính:

1. Tính toán cụm xe di chuyển

  • Xác định tải trọng và công suất: Với thời gian tăng tốc $t = 0{,}1\text{ s}$, gia tốc xe đẩy đạt $a_x = \frac{5}{6}\text{ m/s}^2$. Lực cản tổng cộng $F_c = F_{qt} + F_{ms} = 607{,}69\text{ N}$. Công suất làm việc trên trục bánh xe $P_{lv} = 0{,}051\text{ kW}$. Với hiệu suất truyền động tổng $\eta = 0{,}88$, công suất cần thiết trên trục động cơ là $P_{ct} = 0{,}058\text{ kW}$. Số vòng quay làm việc $n_{lv} = 12{,}24\text{ vòng/phút}$. Tác giả lựa chọn động cơ điện Parma mã GL-71M-4 ($P_{dc} = 0{,}25\text{ kW}$, $n_{dc} = 1500\text{ vòng/phút}$, vỏ 71M1-4).
  • Thiết kế bộ truyền xích: Chọn xích ống con lăn 1 dãy tiêu chuẩn thép 45 tôi cải thiện, bước xích $p = 12{,}7\text{ mm}$, số răng đĩa xích nhỏ $Z_1 = 17$, số răng đĩa xích lớn $Z_2 = 34$, khoảng cách trục $a = 267\text{ mm}$, số mắt xích $x = 68$. Hệ số an toàn kiểm nghiệm $s = 22{,}1 > [s]$, ứng suất tiếp xúc đĩa xích nhỏ $\sigma_{H1} = 452{,}36\text{ MPa} \le [\sigma_H] = 500\text{--}600\text{ MPa}$.
  • Thiết kế trục, khớp nối và chọn ổ lăn: Sử dụng khớp nối trục vòng đàn hồi có momen cho phép $T_{kn} = 125\text{ N}\cdot\text{m}$, số chốt $Z = 4$, đường kính tâm chốt $D_0 = 90\text{ mm}$. Vật liệu trục bằng thép 45 tôi cải thiện ($\sigma_b \ge 850\text{ MPa}$, $[\tau] = 15\text{--}30\text{ MPa}$, $[\sigma] = 72\text{ MPa}$). Đường kính các đoạn trục tính toán là $d_B = 22\text{ mm}$, $d_C = 20\text{ mm}$, $d_D = 17\text{ mm}$. Chọn ổ bi đỡ một dãy cỡ siêu nhẹ mã 1000904 tại vị trí C và 1000903 tại vị trí D, thỏa mãn điều kiện bền tải động ($C_d \le C$) và tải tĩnh ($Q_t \le C_0$).
  • Chọn phanh từ an toàn: Lựa chọn phanh từ mã SDZ1-04 30W với momen phanh $4\text{ N}\cdot\text{m}$, điện áp điều khiển DC $99\text{ V}$, đường kính ngoài phanh $102\text{ mm}$, phù hợp đường kính trục động cơ $14\text{ mm}$.

2. Tính toán cụm cơ cấu nâng

  • Cân bằng lực và tính chọn động cơ: Tổng khối lượng nâng $G = 260\text{ kg}$. Lập phương trình cân bằng momen quanh điểm tựa $O$, tính được phản lực pháp tuyến $N$ và lực nâng tiếp tuyến. Công suất làm việc yêu cầu $P_{lv} = 0{,}129\text{ kW}$, công suất động cơ tính toán $P_{ct} = 0{,}146\text{ kW}$, số vòng quay trục nâng $n_{lv} = 4{,}77\text{ vòng/phút}$. Lựa chọn động cơ điện Parma mã Y3-100M2-8 ($P_{dc} = 0{,}25\text{ kW}$, $n_{dc} = 700\text{ vòng/phút}$, vỏ 80M2-8).
  • Thiết kế trục bánh răng nâng và chọn ổ lăn: Lực vòng tác dụng lên bánh răng $F_t = 2748{,}48\text{ N}$. Giải bài toán siêu tĩnh xác định nội lực, tính ra đường kính trục tại các tiết diện lắp ghép: $d_B = 40\text{ mm}$, $d_D = 35\text{ mm}$. Chọn ổ bi đỡ một dãy cỡ siêu nhẹ cho vị trí B và D. Kiểm nghiệm tuổi thọ vòng bi đạt $L_{10h} = 18.000\text{ giờ}$ làm việc.
  • Chọn khớp nối và phanh: Chọn khớp nối trục đàn hồi có momen định mức $T_{kn} = 500\text{ N}\cdot\text{m}$, số chốt $Z = 8$, đường kính tâm chốt $D_0 = 130\text{ mm}$. Phanh an toàn sử dụng phanh từ mã SDZ1-08 45W với momen phanh $7{,}5\text{ N}\cdot\text{m}$, điện áp DC $99\text{ V}$, đường kính ngoài $120\text{ mm}$, lắp trục motor $\phi 19\text{ mm}$.

Chương 3: Xây dựng bản vẽ lắp

Chương 3 tổng hợp toàn bộ các kết quả tính toán động học, kích thước hình học chi tiết máy để thiết lập bản vẽ lắp cơ khí tổng thể của hệ thống kho hàng tự động, thể hiện bố cục sắp xếp không gian của cơ cấu nâng hạ thanh răng, xe di chuyển ngang trên ray và hệ con lăn dẫn động xích.

Kết quả và đóng góp

1. Tổng hợp kết quả tính toán và chọn lựa thiết bị

Hạng mục cơ cấu Cụm xe di chuyển (Trục X) Cụm nâng hạ (Trục Z)
Khối lượng làm việc $70\text{ kg}$ (xe + tải trọng) $260\text{ kg}$ (toàn bộ khung và tải)
Vận tốc làm việc $V_x = 5{,}0\text{ m/phút}$ $V_n = 2{,}4\text{ m/phút}$
Công suất làm việc ($P_{lv}$) $0{,}051\text{ kW}$ $0{,}129\text{ kW}$
Động cơ lựa chọn Parma GL-71M-4 ($0{,}25\text{ kW}, 1500\text{ rpm}$) Parma Y3-100M2-8 ($0{,}25\text{ kW}, 700\text{ rpm}$)
Bộ truyền trung gian Xích con lăn 1 dãy ($p = 12{,}7\text{ mm}, Z_1=17, Z_2=34$) Bánh răng - thanh răng ($d_3 = 160\text{ mm}$)
Vật liệu chế tạo trục Thép 45 tôi cải thiện ($\sigma_b \ge 850\text{ MPa}$) Thép 45 tôi cải thiện ($\sigma_b \ge 850\text{ MPa}$)
Khớp nối đàn hồi $T_{kn} = 125\text{ N}\cdot\text{m}, Z = 4\text{ chốt}$ $T_{kn} = 500\text{ N}\cdot\text{m}, Z = 8\text{ chốt}$
Quy cách phanh từ SDZ1-04 30W ($T_{ph} = 4\text{ N}\cdot\text{m}, \text{DC } 99\text{ V}$) SDZ1-08 45W ($T_{ph} = 7{,}5\text{ N}\cdot\text{m}, \text{DC } 99\text{ V}$)

2. Đóng góp kỹ thuật

  • Cung cấp phương pháp luận và chu trình giải tích hoàn chỉnh để tính toán một hệ dẫn động kho hàng nhiều bậc tự do, từ khâu phân tích lực cản động học đến khâu kiểm nghiệm ứng suất mỏi và sức bền tĩnh.
  • Ứng dụng mô hình giải bài toán kết cấu trục siêu tĩnh bằng phương pháp giải tích đối xứng, giúp nâng cao độ chính xác khi xác định phản lực gối đỡ ổ lăn so với việc đơn giản hóa thành hệ dầm tĩnh định thông thường.
  • Đưa ra giải pháp lựa chọn phối hợp đồng bộ giữa động cơ giảm tốc, bộ truyền cơ khí hở, khớp nối trục bù sai lệch và phanh điện từ an toàn chuyên dụng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế được tác giả chỉ rõ: Đây là đồ án thiết kế cơ khí ban đầu nên tác giả tự nhận định chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế, các tính toán chủ yếu dựa trên mô hình lý thuyết và bảng tra tiêu chuẩn, chưa trải qua giai đoạn chế tạo mẫu thực nghiệm để kiểm chứng độ rung động và độ võng thực tế khi vận hành liên tục.
  • Phạm vi nghiên cứu: Đề tài giới hạn ở phần tính toán cơ khí và động lực học cơ cấu dẫn động, chưa đi sâu vào lập trình điều khiển tự động chi tiết (mạch PLC, thuật toán định vị tối ưu đường đi) hay tích hợp hệ thống phần mềm quản lý kho (WMS).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích đối với:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Công nghiệp: Tham khảo quy trình tính toán hệ dẫn động, bài tập lớn môn học Chi tiết máy, Đồ án Thiết kế hệ thống cơ khí và Đồ án tốt nghiệp liên quan đến robot kho bãi, xe tự hành, cơ cấu nâng hạ.
  • Kỹ sư thiết kế cơ cấu máy: Tham khảo các bảng thông số kỹ thuật, phương pháp giải bài toán siêu tĩnh cho hệ trục mang tải va đập và quy cách lựa chọn linh kiện thương mại (phanh từ SDZ, động cơ Parma, khớp nối chốt đàn hồi, xích con lăn tiêu chuẩn).

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án lựa chọn loại động cơ nào cho cơ cấu di chuyển xe và cơ cấu xe nâng?

Cơ cấu di chuyển xe (trục X) sử dụng động cơ giảm tốc nhãn hiệu Parma mã GL-71M-4 (khung vỏ 71M1-4) công suất $0{,}25\text{ kW}$, tốc độ $1500\text{ vòng/phút}$. Cơ cấu xe nâng (trục Z) sử dụng động cơ giảm tốc nhãn hiệu Parma mã Y3-100M2-8 (khung vỏ 80M2-8) công suất $0{,}25\text{ kW}$, tốc độ $700\text{ vòng/phút}$.

2. Thông số kỹ thuật chính của bộ truyền xích trên cụm xe di chuyển là gì?

Bộ truyền xích sử dụng loại xích ống con lăn 1 dãy tiêu chuẩn chế tạo từ thép 45 tôi cải thiện, bước xích $p = 12{,}7\text{ mm}$, đường kính chốt $d_c = 7{,}95\text{ mm}$, chiều dài ống xích $B = 22{,}2\text{ mm}$, số răng đĩa nhỏ $Z_1 = 17$, số răng đĩa lớn $Z_2 = 34$, khoảng cách trục $a = 267\text{ mm}$ và tổng số mắt xích $x = 68$.

3. Hệ thống đảm bảo an toàn tự hãm khi mất điện đột ngột bằng cơ cấu nào?

Hệ thống sử dụng phanh điện từ thường đóng lắp tại đầu ra trục động cơ điện: mã SDZ1-04 30W (momen hãm $4\text{ N}\cdot\text{m}$, điện áp DC $99\text{ V}$) cho cơ cấu di chuyển ngang, và mã SDZ1-08 45W (momen hãm $7{,}5\text{ N}\cdot\text{m}$, điện áp DC $99\text{ V}$) cho cơ cấu nâng hạ.

4. Tác giả đã giải quyết bài toán siêu tĩnh trên trục cơ cấu nâng và di chuyển như thế nào?

Để giải bài toán trục siêu tĩnh chịu tải đa điểm, tác giả đã chia kết cấu trục thành hai phần đối xứng nhau qua mặt phẳng trung hòa nhằm giảm bậc siêu tĩnh, sau đó thay thế các ngàm liên kết bằng hệ phản lực và momen tương đương để thiết lập các phương trình cân bằng tĩnh học.

5. Vật liệu và các thông số bền được lựa chọn cho các trục truyền động là gì?

Các trục đều được thống nhất chế tạo từ vật liệu thép 45 tôi cải thiện, có giới hạn bền kéo $\sigma_b \ge 850\text{ MPa}$, ứng suất xoắn cho phép $[\tau] = 15\text{--}30\text{ MPa}$ và ứng suất uốn cho phép $[\sigma] = 72\text{ MPa}$ (đối với cụm di chuyển) và $[\sigma] = 63\text{ MPa}$ (đối với cụm nâng).

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống dẫn động của kho hàng tự động" của tác giả Trần Nguyễn Hoàng Sơn đã hoàn thành đầy đủ nhiệm vụ tính toán thiết kế cơ khí cho một hệ thống ASRS 3 trục chuyển động. Bằng việc áp dụng các tiêu chuẩn tính toán máy chuẩn mực và giải quyết triệt để bài toán nội lực siêu tĩnh, nghiên cứu đã đưa ra thông số kỹ thuật cụ thể cho toàn bộ các cụm chi tiết từ động cơ, xích tải, bánh răng, trục, ổ lăn đến phanh an toàn. Đây là tài liệu mang tính ứng dụng kỹ thuật cơ khí rõ ràng, có độ tin cậy cao và đóng vai trò nguồn tư liệu tham khảo thực tế cho các nghiên cứu thiết kế thiết bị tự động hóa kho bãi.