Tuyển tập Cơng trình Hội nghị khoa học tồn quốc Máy thủy khí Hệ thống tự động hóa 2021 Giới thiệu hệ thống robot bốc xếp hàng tự động sản xuất Nguyễn Trường Quang, Nguyễn Văn Minh, Trần Sĩ Kiên Trung tâm Chế tạo Cơ khí, Viện Nghiên cứu Cơ khí Tóm tắt: Hệ thống Robot bốc xếp hàng tự động (robot palletizing) công nghệ lĩnh vực cơng nghệ tự động hóa Logistics, đó, áp dụng ý tưởng việc sử dụng hệ thống robot công nghiệp để thực xếp chồng loại hàng hóa theo mơ hình định thực hoạt động hậu cần đóng gói lưu trữ Bài báo trình bày nghiên cứu tổng quan hệ thống robot bốc xếp tự động, đánh giá nhu cầu thị trường xu hướng phát triển cơng nghệ Từ khóa: Palletizing, robot công nghiệp, hệ thống bốc xếp tự động, robot bốc xếp Robot palletizing system in the manufacturing Abstract: Palletizing is a new technology in the field of Logistics automation, which applies the idea of using industrial robots to stacking goods according to certain patterns and performing logistics activities such as packing and storing This paper will research into palletizing systems, assess market demand and the development trend of Palletizing technology Keyword: Palletizing, industrial robot, palletizing system, palletizer Tổng quan hệ thống robot bốc xếp hàng tự động 1.1 Tổng quan Hệ thống bốc xếp hàng tự động (palletizing) giải pháp hệ thống tự động thay hồn tồn cơng việc bốc xếp đóng gói hàng thủ cơng lên pallet, từ đó, tăng suất vận hành nhà máy, đồng thời, giảm thiểu sai sót khâu đóng gói hàng thủ cơng Hệ thống bốc xếp phát triển vào năm 1970, đó, kết hợp hệ thống băng tải thiết bị nâng công nghiệp Để xếp chồng sản phẩm, lớp hàng hóa kẹp vào vị trí nhấc khỏi băng chuyển đặt lên pallet Một thập kỉ sau, vào năm 1980, cánh tay robot bắt đầu tích hợp vào hệ thống Việc sử dụng cánh tay robot mang lại linh hoạt cho hệ thống bốc xếp hàng tự động với số lượng chủng loại hàng hóa ngày đa dạng Một cánh tay robot lập trình để xử lý gói hàng có kích thước khác xếp chúng lên pallet theo nhiều cách mà không cần thay đổi thiết kế từ trước Qua thời gian, hệ thống robot palletizing chứng minh đem lại ưu kỹ thuật trội sau: - Nâng cao mức độ tự động hóa dây chuyền sản xuất công ty; - Tính đồng bộ, qn cao nhất; - Duy trì ổn định tính xác lâu dài hệ thống; 203 Giới thiệu hệ thống robot bốc xếp hàng tự động sản xuất - Sử dụng vận hành hệ thống đơn giản, thuận tiện; - Bảo trì, bảo dưỡng, dự phịng thay dễ dàng, hiệu Hình Hình ảnh hệ Robot bốc xếp hàng tự động 1.2 Các tiêu chuẩn cần đáp ứng Để đảm bảo hiệu tính an toàn hoạt động, hệ thống robot bốc xếp hàng tự động cần phải đáp ứng tiêu chuẩn robot công nghiệp sau: - ISO 8373-2012: Hệ thống robot công nghiệp; - ISO 15066-2016: Hệ thống robot kết hợp; - ISO 13857-2019: Vùng làm việc an toàn hệ thống tự động Hệ thống robot bốc xếp hàng tự động 2.1 Các thành phần hệ thống Một hệ thống Robot bốc xếp tự động, bao gồm thiết bị sau: - Băng tải đầu vào có nhiệm vụ di chuyển pallet trống thùng hàng vào vị trí chờ - Cánh tay Robot thực gắp thùng hàng đặt lên pallet - Máy cấp pallet cung cấp pallet trống cho hệ thống - Máy quấn màng có nhiệm vụ đóng gói pallet màng bọc, giúp cho việc cố định hàng hóa dễ kiểm sốt - Máy dán barcode có nhiệm vụ dán nhãn mác cho pallet kiện hàng - Băng tải đầu thực di chuyển pallet kiện hàng xếp xong - Hệ thống điện cung cấp điện cho thiết bị điều khiển phối hợp làm việc thiết bị hệ thống - Thiết bị an toàn rào chắn, cảm biến cảnh báo bên nhằm giúp cảnh báo khu vực nguy hiểm, nơi hệ thống hoạt động 204 Nguyễn Trường Quang, Nguyễn Văn Minh, Trần Sĩ Kiên Hình Cấu hình hệ thống Robot bốc xếp 1- Băng tải đầu vào; 2- Cánh tay Robot; 3- Máy cấp pallet; 4- Máy quấn màng; 5- Máy dán barcode; 6- Băng tải đầu ra; 7- Hệ thống điện; 8- Thiết bị an toàn 2.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống Các bước hoạt động hệ thống tóm tắt sau: - Các thùng hàng sản phẩm sau đóng gói băng tải vận chuyển đến vị trí chờ gắp, nơi mà Robot tự động gắp hàng Vị trí chờ gắp tính tốn thiết kế cho thuận tiện cho việc gắp robot - Các pallet xếp hàng xe xếp chồng thành khối, xe nâng vận chuyển khối nạp vào máy cấp pallet tự động Hệ thống máy cấp pallet tự động có nhiệm vụ cấp pallet lên băng tải di chuyển pallet trống tới vị trí chờ để robot xếp thùng hàng - Công đoạn tiếp theo, Robot gắp thùng hàng sản phẩm đặt lên pallet vị trí chờ Robot thực cơng đoạn liên tục theo chu trình lập trình sẵn từ trước Tùy theo loại sản phẩm khác dây chuyền đầu vào mà robot thực hành động xếp thùng hàng lên pallet theo quy cách có sẵn - Khi robot xếp đủ số thùng hàng pallet, băng tải di chuyển pallet kiện hàng đến vị trí máy quấn màng tự động Máy quấn màng làm nhiệm vụ quấn số lớp màng nilong lên kiện hàng, việc đảm bảo kiện hàng hạn chế xô lệch q trình vận chuyển sau - Cuối pallet kiện hàng băng tải vận chuyển tới vị trí dán mã máy dán barcode chờ để xe nâng tới lấy ngồi Trong q trình thiết kế, sử dụng phần mềm mơ giúp đem lại cách nhìn tổng quan hệ thống Đa số nhà cung cấp robot bốc xếp có kèm theo phần mềm mơ giúp khách hàng dùng để hỗ trợ lựa chọn chủng loại robot cho hệ thống Một số phần mềm mô nhà cung cấp robot tiếng kể đến KUKA Sim Pro (KUKA), ABB Robotstudio (ABB), Programming Simulators (Yaskawa)… 205 Giới thiệu hệ thống robot bốc xếp hàng tự động sản xuất Hình Một hệ thống bốc xếp tự động phần mềm mô Việc sử dụng phần mềm mô đem lại số lợi ích quan trọng sau: - Bộ thư viện robot với thông số thực tế: Với nhà cung cấp, thư viện robot thiết bị có sẵn cho phép khách hàng tự thiết kế hệ thống bốc xếp với thành phần theo mong muốn, đồ họa thông số thiết bị phần mềm ngày hoàn thiện sát với thực tế; - Tối ưu hóa giảm thời gian thiết kế: Bằng việc chạy thử nghiệm hoạt động hệ thống phần mềm, kết hợp với cơng cụ phân tích số liệu (biểu đồ, đồ thị,…) sẵn có giúp khách hàng tiết kiệm thời gian tính tốn thiết kế tối ưu hoạt động, đặc biệt cải thiện tốc độ gắp chỉnh sửa layout phù hợp, hệ thống bốc xếp; - Giảm thiểu rủi ro va chạm lỗi sai trình hoạt động: Quan sát hoạt động hệ thống phần mềm mơ nhận diện sớm số cố va chạm, lỗi hoạt động robot vượt phạm vi hoạt động, va chạm với thiết bị khác,… 2.3 Hệ thống điện tự động hóa Các thiết bị hệ thống hoạt động hồn tồn tự động mà khơng cần có can thiệp người, việc giúp làm tăng mức độ an toàn hiệu hoạt động hệ thống Các thiết bị cấp nguồn điều khiển hoạt động tủ điện điều khiển riêng, liệu thơng tin hàng hóa, số lượng, thời gian làm việc,… trao đổi qua lại với hệ thống liệu lớn kho tồn nhà máy Cấu hình hệ thống robot bốc xếp tự động trình bày hình Hệ thống điện hệ thống robot bốc xếp tự động bao gồm thành phần: - PLC điều khiển chính: có chức giám sát, điều khiển tất thiết bị hệ thống truyền thông tin tới trung tâm điều khiển nhà máy; - Bộ điều khiển Robot: robot có điều khiển riêng kết nối với PLC theo giao thức tùy chọn (Ethernet, Modbus, IO,…); 206 Nguyễn Trường Quang, Nguyễn Văn Minh, Trần Sĩ Kiên - Bộ điều khiển máy chức năng: máy chức hệ thống máy cấp pallet, máy quấn màng, máy in nhãn,… kết nối với PLC theo giao thức tùy chọn để truyền nhận tín hiệu (Ethernet, Modbus, IO,…); Hình Cấu hình điều khiển hệ thống robot bốc xếp tự động - Màn hình điều khiển HMI: hiển thị thông tin hệ thống nhận thao tác điều khiển từ người vận hành; - Các động băng tải, cảm biến, cơng tắc hành trình: nhận tín hiệu điều khiển từ PLC phản hồi tín hiệu cần thiết PLC để đảm bảo hệ thống hoạt động xác an tồn; - Các nút ấn, đèn báo: hỗ trợ hình điều khiển việc hiển thị thông tin nhận thao tác từ người vận hành 2.4 Các yêu cầu hệ thống 2.4.1 Quy cách xếp Số lượng quy cách xếp, hay mẫu xếp, tích hợp robot bốc xếp lớn nhờ sử dụng điều khiển phần mềm đại Các quy cách xếp gồm hai dạng là: xếp lồng vào xếp chồng lên theo cột Các quy cách xếp lồng vào tạo cách xếp lớp xoay ngược 180 đan xen (Hình 5a) Bằng cách này, tải trọng xếp với độ ổn định cao, thường áp dụng xếp tải trọng kích thước nhỏ, quy cách xếp gồm nhiều lớp Quy cách xếp chồng theo cột tạo xếp tải trọng riêng biệt, lớp xếp đặt theo hướng giống (Hình 5b) Để đảm bảo độ vững, cách xếp thường áp dụng cho tải trọng kích thước vừa lớn, khơng có q nhiều lớp xếp lên Trong số trường hợp, với kích thước tải trọng khác nhau, cần đến sử dụng quy cách xếp với khe trống (Hình 5c), điều cần điều chỉnh chương trình robot bốc xếp 207 Giới thiệu hệ thống robot bốc xếp hàng tự động sản xuất Khe trống a b c Hình Quy cách xếp tải trọng pallet Ngoài ra, với đơn vị sản xuất với nhiều chủng loại, mẫu mã số lượng nhỏ ứng dụng quy cách xếp hỗn hợp loại tải trọng kích thước khác lên pallet mà đảm bảo kích thước tính ổn định tốt 2.4.2 Tốc độ bốc xếp hàng hóa Thơng thường, robot bốc xếp với tốc độ từ khoảng thùng/phút khoảng 150-200 thùng/phút Tốc độ robot bốc xếp phụ thuộc vào kích thước thùng hàng, quy cách xếp yêu cầu khả gắp nhả bàn kẹp Tất nhà cung cấp robot bốc xếp đáng tin cậy có chương trình mơ để hiển thị tốc độ đạt cho mẫu xếp định Khi khách hàng xem xét yêu cầu tốc độ, họ thường tính đến tốc độ tối đa mà dây chuyền đóng gói chạy thêm hệ số an toàn từ 10 - 25% Các nhà cung cấp robot bốc xếp đặc biệt ý đến kích thước, khối lượng, độ cứng vững thùng hàng quy cách xếp thùng hàng để đưa tốc độ bao gồm hệ số an toàn bổ sung Đôi thêm vào yếu tố an tồn khiến khách hàng từ tốc độ thấp chuyển sang máy tốc độ cao Một dự án khơng cịn khả thi chi phí bổ sung Do đó, điều quan trọng phải thông báo với nhà cung cấp robot bốc xếp với tốc độ bao gồm hệ số an tồn để báo giá máy phù hợp 2.4.3 Không gian làm việc Điều quan trọng phải xem xét điều kiện làm việc robot bốc xếp Hầu hết robot bốc xếp điều chỉnh để chúng làm việc mơi trường Một số điều kiện cần lưu ý như: - Nhiệt độ cao 105F so với nhiệt độ môi trường; - Nhiệt độ thấp nhiệt độ môi trường 32F; - Yêu cầu rửa với nước; - Vật liệu có tính ăn mịn bụi bẩn tiếp xúc với robot bốc xếp 2.4.4 Tính an tồn Tất robot bốc xếp nhà cung cấp gây nguy hiểm cho người vận hành không tuân thủ yêu cầu đảm bảo an toàn Một số điểm an toàn cần ý nhất, bao gồm: - Lắp đặt hệ thống hàng rào quanh robot thiết bị đảm bảo độ an toàn; - Công tác bảo dưỡng, sửa chữa robot phải thực hệ thống dừng hoạt động hoàn tồn, tuyệt đối khơng bảo dưỡng, sửa chữa robot hệ thống hoạt động; 208 Nguyễn Trường Quang, Nguyễn Văn Minh, Trần Sĩ Kiên - Tuân thủ hướng dẫn an toàn nhà cung cấp thiết bị; - Các nhân viên vận hành cần đào tạo nắm bắt quy trình hoạt động, phương pháp đảm bảo an tồn, quy trình xử lý cố hệ thống bốc xếp tự động Đánh giá khả ứng dụng tự động hóa sản xuất 3.1 Đánh giá hiệu hệ thống Trong Cách mạng cơng nghiệp 4.0, việc ứng dụng tự động hóa, trí tuệ nhân tạo vào sản xuất, kinh doanh xu hướng tất yếu, nhằm tạo suất lao động cao Trên giới, có nhiều nhà máy sử dụng toàn hệ thống dây chuyền sản xuất tự động hóa, đưa Robot vào thay sức lao động người, làm tăng độ xác, đảm bảo suất an tồn q trình vận hành Những lợi ích thiết thực ưu điểm tuyệt đối hệ thống Robot tự động bốc xếp: - Tự động hóa dây chuyền sản xuất: Hệ thống Robot bốc xếp tự động thay hoàn toàn sức lao động người Vận hành xác với cường độ hoạt động cao liên tục (24/24); - Chuyển đổi model sản phẩm: Linh hoạt việc chuyển đổi chủng loại sản phẩm với chương trình cài đặt sẵn vào hệ thống; - Vận hành kiểm sốt: Hiển thị số lượng hàng hóa đóng pallet theo thời gian thực Giao diện vận hành đơn giản đảm bảo cung cấp đầy đủ thông tin; - An toàn vận hành: Các chức mã hóa liên động, nhằm mục đích an tồn cho cấu chấp hành, có sensor cảnh bảo va chạm, tín hiệu cảnh báo an tồn; - Kết nối hệ thống đồng bộ: Hệ thống bốc xếp hàng tự động mở rộng thêm để kết nối với hệ thống quản trị doanh nghiệp ERP hay phần mềm quản lý kho WMS Đảm bảo thông tin quản lý hàng hóa hệ thống xác 3.2 Nhu cầu thị trường nước Nền kinh tế Việt Nam kinh tế phát triển nhanh giới, sóng đầu tư doanh nghiệp nước vào Việt Nam liên tục tăng năm gần Tuy nhiên, Việt Nam phải đối mặt với diễn biến phức tạp dịch bệnh, chi phí th nhân cơng ngày cao Vì vậy, để tồn phát triển, bắt buộc các cơng ty, nhà máy phải có giải pháp tự động hóa để giảm thiểu chi phí sản xuất, chi phí vận hành, nhằm tối ưu hóa lợi nhuận Theo ước tính Frost and Sullivan, cơng ty tư vấn, nghiên cứu phân tích thị trường có trụ sở California, tổng thị trường tự động hóa doanh nghiệp Việt Nam ước tính khoảng 184,5 triệu USD Điều cho thấy, hệ thống bốc xếp hàng tự động giải pháp hoàn hảo, phù hợp với đại đa số nhà máy Việt Nam Hiện nay, Viện Nghiên cứu Cơ khí thực chế tạo lắp đặt hệ thống Robot bốc xếp hàng tự động cho Công ty cổ phần Bột giặt LIX với thông số hệ thống sau: - Số robot bốc xếp: robot, tốc độ gắp robot tối đa s/thùng; - Hệ thống băng tải vận chuyển hàng pallet: hệ; - Máy cấp pallet: máy, sức chứa tối thiểu 12 pallet; 209 Giới thiệu hệ thống robot bốc xếp hàng tự động sản xuất - Máy quấn màng pallet: máy, hiệu xuất quấn màng 20-40 pallet/giờ Hệ thống Robot bốc xếp triển khai giúp Công ty Cổ phần Bột giặt LIX nâng cao suất hiệu khâu đóng gói lưu trữ hàng hóa Kết luận Bài báo trình bày tổng quát hệ thống Robot bốc xếp tự động, đánh giá nhu cầu thị trường xu hướng phát triển công nghệ Palletizing nước ta Bài báo phân tích ưu điểm vượt trội hệ thống Robot bốc xếp tự động so với phương thức bốc xếp hàng truyền thống giới thiệu hệ thống Robot bốc xếp tự động Viện Nghiên cứu Cơ khí vào thực tế sản xuất, mở đầu cho ứng dụng khác thời gian tới Ở nghiên cứu tiếp theo, nhóm tác giả hướng tới nghiên cứu thiết kế chi tiết thành phần cấu thành mô hoạt động hệ thống bốc xếp tự động, để tiếp tục triển khai thiết kế, chế tạo lắp đặt hệ thống robot bốc xếp hoàn thiện ứng dụng nhà máy sản xuất khác Việt Nam Tài liệu tham khảo [1] Website: universal-robots.com [2] Website: kuka.com 210