Đồ án thiết kế hệ thống kho hàng tự động AS-RS - ĐH Bách Khoa Hà Nội

Tài liệu đồ án thiết kế hệ thống kho hàng tự động chi tiết. Hướng dẫn tính toán động học, kết cấu cơ khí và điều khiển thông minh cho sinh viên ngành cơ khí.

• Tác giả: Vũ Quốc Linh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Kiên Trung
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Thiết kế hệ thống kho hàng tự động
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế hệ thống kho hàng tự động AS RS

Hệ thống kho hàng tự động AS-RS đóng vai trò then chốt trong thời đại công nghiệp 4.0. Đồ án thiết kế tại Đại học Bách Khoa Hà Nội tập trung nghiên cứu mô hình lưu trữ và truy xuất thông minh. Cơ cấu bao gồm hệ khung giá chứa hàng, hệ thống vận chuyển đa trục và trạm điều khiển trung tâm. Toàn bộ chu trình vận hành diễn ra tự động nhờ liên kết chặt chẽ giữa phần cứng cơ khí và phần mềm quản lý. Thiết kế đáp ứng yêu cầu nâng cao năng suất, tiết kiệm mặt bằng và loại bỏ hoàn toàn sai sót do con người. Cấu trúc kho hàng được mô đun hóa để dễ dàng mở rộng dung lượng chứa. Hệ thống sử dụng các linh kiện cơ khí chính xác nhằm đảm bảo tuổi thọ vận hành liên tục trong môi trường công nghiệp. Mã định danh QR hỗ trợ nhận diện pallet chính xác tại mỗi ô lưu trữ. Mô hình mang lại nền tảng học thuật và thực tiễn vững chắc cho ngành tự động hóa.

1.1. Cấu trúc mô hình kho hàng AS RS ĐHBK Hà Nội

Mô hình kho hàng tự động AS-RS bao gồm ba thành phần chính: giá kệ lưu trữ, xe trung chuyển và tay máy lấy hàng. Khung giá đỡ được gia công từ nhôm định hình chịu lực cao. Xe vận chuyển trục X chạy dọc hành lang để tiếp cận từng cột hàng. Trục Z đảm nhiệm chuyển động nâng hạ khay chứa theo phương thẳng đứng. Cụm tay gắp trục Y thực hiện thao tác kéo hoặc đẩy pallet vào đúng ngăn định sẵn. Sự phối hợp nhịp nhàng giữa ba trục tạo nên không gian làm việc ba chiều linh hoạt. Hệ thống cảm biến vị trí giúp xác định tọa độ ngăn chứa chính xác và an toàn tuyệt đối.

1.2. Nguyên lý xuất nhập hàng hóa tự động

Quá trình xuất nhập hàng hóa được chuẩn hóa qua các bước xử lý dữ liệu số. Khi nhập hàng, pallet được đưa vào trạm tiếp nhận và gắn mã QR định danh riêng biệt. Đầu đọc mã gửi thông tin vị trí ô trống tới bộ điều khiển trung tâm. Tay máy tự động tiếp nhận kiện hàng và di chuyển đến tọa độ đích để lưu trữ. Khi có lệnh xuất kho, hệ thống truy quét mã số trên hóa đơn và điều khiển cơ cấu đến đúng ngăn chứa. Kiện hàng được lấy ra nhanh chóng và chuyển thẳng đến băng tải trả hàng. Mọi thao tác đều được ghi nhận tự động vào cơ sở dữ liệu.

II. Phân tích bài toán cơ cấu chuyển động trong hệ thống AS RS

Thiết kế cơ cấu chuyển động đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp về độ cứng vững và quán tính. Hệ thống đòi hỏi khả năng định vị chính xác khi vận hành ở tốc độ cao. Chuyển động của trục X trên chiều dài hành lang lớn dễ gây ra hiện tượng rung lắc hoặc lệch ray dẫn hướng. Trục nâng hạ Z chịu tải trọng thay đổi liên tục theo khối lượng từng kiện hàng trên pallet. Sự phân bố tải trọng không đều tạo ra mô men uốn tác động trực tiếp lên các thanh trượt. Bộ phận tay lấy hàng trục Y yêu cầu kích thước nhỏ gọn nhưng phải đủ độ cứng vững khi vươn dài vào ngăn chứa. Hiện tượng trượt bước và sai số tích lũy của bộ truyền đai răng cũng là rủi ro cần kiểm soát nghiêm ngặt. Việc tính toán động lực học giúp loại bỏ nguy cơ quá tải động cơ và giảm mài mòn chi tiết cơ khí. Đồ án giải quyết triệt để các bài toán này thông qua phương pháp tính toán cơ học truyền động chuẩn mực.

2.1. Thách thức chịu tải và động học các trục X Y Z

Mỗi trục chuyển động trong hệ thống AS-RS đối mặt với điều kiện làm việc đặc thù. Trục X di chuyển khối lượng lớn bao gồm toàn bộ cụm trục Y và trục Z. Gia tốc khởi động và hãm dừng sinh ra lực quán tính đáng kể tác động lên thanh ray. Trục Z làm việc theo phương thẳng đứng nên phải thắng trọng lực và duy trì vị trí ổn định khi mất điện. Trục Y hoạt động dạng công xôn khi vươn ra gắp hàng nên chịu uốn lớn. Kỹ sư phải phân tích kỹ lực ma sát, lực cản và ứng suất uốn để tránh biến dạng kết cấu cơ khí trong suốt chu kỳ làm việc.

2.2. Yêu cầu về độ chính xác và an toàn vận hành

Độ chính xác lặp lại là yếu tố sống còn của kho hàng tự động AS-RS. Sai lệch vị trí dù chỉ vài milimet cũng có thể dẫn đến va chạm pallet với khung kệ. Hệ thống đòi hỏi các giải pháp triệt tiêu khe hở ăn khớp trong bộ truyền đai và bánh răng. Ngoài ra, an toàn vận hành cần được đảm bảo qua các giới hạn hành trình vật lý và cảm biến quang. Hệ thống phải có khả năng tự động dừng khẩn cấp khi phát hiện vật cản bất thường. Yêu cầu kiểm soát gia tốc mượt mà giúp bảo vệ hàng hóa dễ vỡ khỏi nguy cơ đổ vỡ khi dịch chuyển.

III. Giải pháp tính toán thiết kế hệ dẫn động kho hàng AS RS

Đồ án đưa ra phương án thiết kế hệ dẫn động tối ưu dựa trên tính toán kỹ thuật chi tiết. Bộ truyền đai răng kết hợp pulley được lựa chọn cho cả ba trục chuyển động nhằm đảm bảo truyền động êm và không trượt. Động cơ bước và servo được tính chọn công suất dựa trên bài toán động học và điều kiện tải trọng khắc nghiệt nhất. Trục X sử dụng ray dẫn hướng có đế chịu tải cao kết hợp con trượt bi chính xác. Trục Z trang bị cơ cấu đối trọng hoặc phanh từ để tăng độ an toàn khi nâng hạ hàng hóa. Cụm trục Y sử dụng profin đai răng 625EV5GT mô đun m=3 và số răng z=16 mang lại hiệu suất truyền động vượt trội. Bền đai được kiểm nghiệm kỹ lưỡng theo bài toán thanh chịu kéo để đảm bảo hệ số an toàn. Sơ đồ điều khiển khối tích hợp vi điều khiển và mạch công suất giúp đồng bộ hóa chuyển động đa trục.

3.1. Lựa chọn thông số động cơ và bộ truyền đai răng

Việc lựa chọn động cơ dựa trên mô men cản tĩnh và mô men quán tính quy đổi về trục động cơ. Hệ thống sử dụng đai răng mã hiệu 625EV5GT với chiều dài 625 mm và 125 răng ăn khớp. Pulley hợp kim nhôm có đường kính vòng chia 58 mm và chiều rộng răng 23 mm. Thông số này đảm bảo khả năng truyền mô men xoắn ổn định mà không gây dão đai. Góc rãnh profin 40 độ và chiều sâu rãnh 3 mm tối ưu hóa diện tích tiếp xúc răng. Nhờ đó, cơ cấu đạt vận tốc di chuyển mong muốn và giảm thiểu tối đa tiếng ồn khi vận hành.

3.2. Tính toán ray dẫn hướng và cấu trúc con trượt

Hệ thống dẫn hướng quyết định độ ổn định chuyển động của toàn bộ kho hàng. Đồ án lựa chọn ray dẫn hướng tuyến tính có đế đỡ gia cường kết hợp con trượt bi thép. Tính toán tải trọng động danh định và tải trọng tĩnh giúp xác định tuổi thọ làm việc của ổ lăn. Thanh dẫn hướng được định vị chính xác trên khung nhôm định hình thông qua bu lông cường độ cao. Độ đảo và sai số độ thẳng được kiểm soát chặt chẽ trong giới hạn cho phép. Kết cấu này giúp hạn chế rung động, giảm hệ số ma sát và kéo dài chu kỳ bảo dưỡng định kỳ.

IV. Đánh giá ứng dụng thực tế của đồ án kho hàng tự động AS RS

Nghiên cứu thiết kế hệ thống kho hàng tự động AS-RS tại ĐHBK Hà Nội khẳng định tính khả thi cao trong ứng dụng thực tế. Đồ án kết hợp thành công lý thuyết cơ học chế tạo máy với công nghệ điều khiển tự động hiện đại. Kết quả tính toán cung cấp đầy đủ thông số kỹ thuật cho việc chế tạo mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh. Hệ thống giúp doanh nghiệp tối ưu hóa 70% không gian kho bãi và giảm thiểu 80% thời gian tìm kiếm hàng hóa. Khả năng vận hành tự động và quản lý bằng mã QR tạo nền tảng cho việc tích hợp vào hệ thống ERP nhà máy thông minh. Thiết kế có cấu trúc mở, dễ bảo trì và thay thế linh kiện nội địa hóa. Đây là tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên và kỹ sư cơ điện tử đang nghiên cứu các giải pháp tự động hóa logistics tại Việt Nam.

4.1. Khả năng mở rộng và tích hợp nhà máy thông minh

Hệ thống AS-RS được thiết kế theo dạng mô đun tiêu chuẩn nên rất thuận tiện cho việc mở rộng quy mô. Doanh nghiệp có thể tăng thêm số tầng hoặc chiều dài dãy kệ mà không cần thay đổi cấu trúc điều khiển gốc. Giao thức truyền thông mở cho phép kho hàng kết nối trực tiếp với hệ thống quản lý sản xuất MES và ERP. Dữ liệu tồn kho được cập nhật theo thời gian thực giúp việc quản trị chuỗi cung ứng chính xác tuyệt đối. Mô hình dễ dàng kết hợp cùng xe tự hành AGV tạo thành hệ sinh thái logistics khép kín.

4.2. Hiệu quả kinh tế và định hướng phát triển đồ án

Ứng dụng hệ thống AS-RS mang lại lợi ích kinh tế rõ rệt thông qua việc cắt giảm chi phí nhân công và hạn chế thất thoát hàng hóa. Thời gian hoàn vốn đầu tư được rút ngắn nhờ nâng cao năng suất xuất nhập kho. Định hướng phát triển tiếp theo của đề tài là ứng dụng trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa lộ trình di chuyển của tay máy. Ngoài ra, việc bổ sung cảm biến IoT giám sát rung động sẽ giúp phát hiện sớm hư hỏng vòng bi và đai truyền. Đồ án góp phần thúc đẩy tự chủ công nghệ chế tạo thiết bị thông minh trong nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Phân tích các đặc tính, nguyên lý của một vài kho hàng và thông số kỹ thuật của kho hàng thiết kế Chương 2: Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí Chương 3: Thông số động cơ, đai răng, pully, thanh dẫn hướng và con trượt được chọn sau khi tính toán. Chương 4: Xây dựng sơ đồ động và sơ đồ điều khiển cho hệ thống Là những sinh viên cơ khí năm 4 chuyên ngành cơ điện tử, do chưa được tiếp xúc và nghiên cứu về hướng ứng dụng này nên chúng em đã gặp không ít những khó khăn khi tiếp cận với đề tài trên. Tuy nhiên được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy TS. Nguyễn Kiên Trung, chúng em đã hoàn thành đề tài này.

Tuy đã có thu được các kết quả cần thiết ban đầu, nhưng với việc là đồ án đầu tiên mà chúng em thực hiện nên không tránh khỏi những sai sót do thiếu kinh nghiệm thực tế. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô để đồ án của được hoàn thiện hơn. Sau cùng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy, cùng toàn thể các thầy cô bộ môn Công nghệ chế tạo máy đã hướng dẫn chỉ bảo và giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành đồ án. PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT 4 Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí – cơ điện tử thông minh TS.

Nguyễn Kiên Trung 1.Tổng quan về kho hàng tự động 1. Tìm hiểu chung về hệ thống lưu trữ hàng hóa 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 sử dụng cho xã hội. Từ đó đã nảy sinh cần có những kho hàng hiện đại đáp ứng yêu cầu sản xuất và khắc phục được những 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 dang, phong phú về thiết bị cũng như phương thức thực hiện.

Nhưng trong đó chủ yếu là sử dụng nhân công để bốc dỡ hàng hóa, các thiết bị bốc dỡ hàng hóa là các máy nâng sử dụng người lái để sắp xếp hàng hóa vào kho. Nhìn chung, các nhà kho hiện nay có các nhược điểm: - 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 vệ hàng hóa tốt khi nhiều số lượng (hàng chồng lên nhau).

- Rất khó kiểm tra số lượng hàng hóa ra trong kho. Với sự ra đời của hệ thống sắp xếp hàng hóa tự động, chúng ta có thể quản lý hàng hóa tốt cũng như nhanh chóng trong công việc lưu trữ và xuất hàng hóa ra khỏi kho, các hệ thống tự động đuợc sử dụng robot để vận chuyển hàng hóa ra vào kho, điều này đồng nghĩa với công việc đầu tư thiết bị hiện đại cho hệ thống kho tốn khá nhiều chi phí cho việc vận 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,… 1.2 Hệ thống cất lấy hàng hóa tự động ARSR (Automated Storage and Retrieval System) Đây là một hệ thống lấy hàng tự động với công nghệ hiện đại, được sử dụng trong các kho hàng hoàn toàn tự động. Hệ thống gồm 2 phần chính: phần mềm và phần cứng. - Phần mềm bao gồm phần mềm quản lý các robot lấy hàng và phần mềm quản lý hàng hóa.

- Phần cứng bao gồm các hệ thống kệ giá cố định, các robot lấy cất hàng, hệ thống băng tải vận chuyển hàng và các cửa tự động xuất nhập hàng hóa. 5 Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí – cơ điện tử thông minh TS. Nguyễn Kiên Trung Hình 1. Các ngăn chứa hàng và cơ cấu lấy hàng của hệ thống ASRS Giải pháp này đang được đánh giá là tối ưu cho các kho hàng vì những ưu điểm và mức đầu tư hợp lý mà giải pháp này mang lại như: - Mật độ lưu trữ cao: do giải pháp này tận dụng được chiều cao và đường chạy của robot nhỏ, diện tích sử dụng ít hơn so với các giải pháp khác, so sánh trên cùng một khả năng lưu trữ.

- Tốc độ xuất nhập hàng hóa cao - Không cần hệ thống chiếu sáng - Công nghệ chuyển làn 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. - Không sử dụng lao động trong kho: tiết kiệm chi phí nhân công, quản lý, bảo mật và thiết bị hỗ trợ. - Quản lý hàng hóa chuyên nghiệp và hiệu quả nhờ các phần mềm quản lý kết hợp với công nghệ mã vạch giúp giảm chi phí quản lý.

Hệ thống cơ khí hệ thống của một nhà kho tự động là một rô bốt hoạt động theo ba trục và di chuyển theo đường ray để mang hàng sắp xếp vào kho, và hệ thống băng chuyển để phân phối sản phẩm xuất nhập. 6 Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí – cơ điện tử thông minh TS. Nguyễn Kiên Trung 1. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống kho hàng tự động Cấu trúc cơ bản của một nhà kho tự động bao gồm nhiều hành lang, dọc theo mỗi hành lang có một hay nhiều máy xếp, dỡ tự động.

Hai bên hành lang là các khoang chứa hàng. Đầu mỗi hành lang là trạm xếp dỡ. Các trạm xếp dỡ liên hệ với nhau theo hệ thống băng chuyền. Tổng quan, một kho hàng tự động được cấu thành từ 3 phần: - Hệ thống vận chuyển.

Bao gồm: xe chở hàng, hệ dẫn hàng,… - Hệ thống xuất nhập. Bao gồm: cơ cấu lấy hàng - Hệ thống lưu giữ. Bao gồm: kho hàng và nhà kho Hình 1. Hệ thống kho hàng tự động 1.

Hệ thống dẫn động của kho hàng Hệ thống dẫn động trong kho hàng tự động rất đa dạng, tùy theo từng yêu cầu công nghệ, về hàng hóa, hình thức xuất nhập…. mà có những phương thức vận chuyển hàng trong kho tương ứng. Hiện nay hệ thống vận chuyển trong kho tự động ở các nước đã có áp dụng như: băng tải, robot, xe tự hành, máy nâng, máy xếp dỡ… 7 Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí – cơ điện tử thông minh TS. Nguyễn Kiên Trung Hệ thống băng tải được sử dụng như một giải pháp tối ưu cho kho tự động của các siêu thị, các công ty dược.

băng tải ở những môi trường này có nhiệm vụ vận chuyển hàng hóa từ kho đến nơi giao hàng cho khách. Đối với nhà máy chỉ sản xuất một sản phẩm thì hệ thống băng chuyển chỉ đơn thuần phân phối sản phẩm cho các robot một cách tối ưu. Nhưng với nhữmg nhà máy sản xuất nhiều loại sản phẩm cùng lúc, hệ thống băng chuyển còn thực hiện phân loại sản phẩm vào khu vực thích hợp. Robot, xe tự động là thiết bị tất yếu của một hệ thống kho tự động.

Chúng di chuyển trong diện tích của nhà kho theo 3 trục, làm nhiệm vụ đưa hàng từ cổng nhập đến những ô trống và lấy hàng từ ô chứa hàng ra cổng xuất. Robot lấy cất hàng tải trọng thấp được thiết kế chuyên cho các hộp, thùng, khay hoặc là những hàng hóa có tải trọng thấp. Robot này có tốc độ lấy hàng rất cao. Robot lấy cất hàng tải trọng trung bình có tốc độ lấy cất khá nhanh, hiệu quả và chính xác đối với lưu trữ dùng pallet.

Robot lấy cất hàng tải trọng cao được thiết kế riêng theo yêu cầu lưu trữ cũng như môi trường làm việc đặc trưng của khách hàng. Robot vận chuyển hàng hóa vào các ngăn chứa Giới thiệu về palet chứa hàng: + Pallet: Pallet là một cấu trúc phẳng dùng để cố định hàng hóa khi hàng được nâng lên bởi một xe hay tời nâng hoặc các thiết bị vận chuyển khác. Pallet có cấu tạo cơ bản của một đơn vị lượng tải cho phép di chuyển và xếp vào kho một cách hiệu quả. Sản phẩm công nghiệp này được sử dụng rộng rãi trong kho vận và vận chuyển hàng hóa.

Pallet giúp việc bốc xếp, di chuyển hàng hóa trong kho và giữa các phương tiện được dễ dàng và nhanh chóng. Pallet không chỉ được làm từ kim loại như sắt, thét, mà còn được làm từ gỗ, nhựa, giấy… 8 Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí – cơ điện tử thông minh TS. Nguyễn Kiên Trung Công dụng của Pallet: ● Hạn chế tối đa tình trạng vỡ hỏng hàng hóa ● Đóng gói các sản phẩm điện tử, sành sứ dễ vỡ, hàng hoá giá trị cao ● Hàng hóa cách mặt đất nên chống ẩm mốc từ đất ● Mỗi lần di chuyển hàng hóa có thể di chuyển số lượng lớn (cả pallet) ● Có thể nâng cả pallet chứa hàng lên kệ hoặc nâng cả pallet vào container một cách nhanh chóng ● Hàng hóa trong kho sẽ được bảo quản một cách khoa học và cơ giới hóa Phân loại Pallet: Hiện tại, trên thị trường có khá nhiều loại pallet nhưng chỉ có 4 loại được dùng nhiều nhất chính là: pallet nhựa, pallet sắt, pallet giấy, pallet gỗ. Pallet nhựa: Pallet nhựa có độ bền cao, có khả năng chống chịu với thời tiết khắc nghiệt tốt, không bị ẩm mốc, thích hợp cho các loại hàng hóa lưu giữ trong kho thời gian dài.

Pallet sắt: Pallet sắt gặp nhược điểm là giá thành cao nên chỉ được sản xuất theo số lượng hạn chế, tùy vào yêu cầu của người mua. Pallet sắt được dùng cho các loại hàng hóa nặng như gạch, đá, sắt thép… Pallet giấy: Pallet giấy là loại có giá thành cao nhất trong 4 loại bởi nó được sản xuất từ loại giấy đặc biệt ép chặt với nhau bằng keo dưới tác động của áp lực lớn bởi vậy pallet giấy chịu tải trọng rất thấp, chỉ khoảng 200kg. Loại pallet này thường được dùng cho các loại hàng hóa cao cấp. Pallet gỗ: Pallet gỗ thường được sản xuất không hạn chế, sử dụng được cho nhiều loại hàng hóa, chắc chắn và có giá thành rẻ.

Bởi vậy pallet gỗ thường là sự lựa 9 Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí – cơ điện tử thông minh TS. Nguyễn Kiên Trung chọn nếu doanh nghiệp nào chỉ cần sử dụng pallet 1 lần hoặc đối với hàng hóa xuất khẩu.1 Hệ thống xuất nhập Hệ thống xuất nhập của kho tự động có thể áp dụng nhiều phương thức khác nhau có thể kể đến như sử dụng nhân công, thẻ từ, tích kê, mã vạch, máy tính, camera.