Nội dung chính của đồ án: - Nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình hệ thống lưu kho tự động - Lập trình điều khiển PLC S7-1200 - Thiết kế giao diện điều khiển Runtime - Lập trình chươn
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Đối với mọi doanh nghiệp, việc quản lí lưu kho và xuất nhập kho đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự mượt mà và hiệu quả của chuỗi cung ứng Trong thời đại số ngày nay, việc áp dụng các giải pháp tự động hóa cho quá trình này không chỉ giúp tối ưu hóa hoạt dộng mà còn mang lại sự linh hoạt, chính xác và tiết kiệm thời gian đáng kể Cùng với sự phát triển của công nghệ, việc áp dụng hệ thống lưu kho và xuất nhập kho tự động đang trở thành xu hướng không thể bỏ qua, mang lại nhiều lợi ích to lớn cho các doanh nghiệp hiện đại Quản lý lưu kho và xuất nhập kho là yếu tố then chốt để đáp ứng nhanh chóng nhu cầu ngày càng tăng về sản phẩm và dịch vụ Do số lượng hàng hóa khổng lồ và chi phí nhân công cao nên các doanh nghiệp như Alibaba, Walmart, FedEx đã áp dụng hệ thống kho thông minh, qua đó các doanh nghiệp này đã tiết kiệm được không gian, giảm thiểu tối đa nhân công, kết nối với phần mềm quản lí thời gian thực dễ dàng vận hành và kiểm soát tồn kho, vận hành hoàn toàn tự động và chính xác Hiện nay, Vinamilk ở Việt Nam cũng đã chuyển đổi từ việc sử dụng hệ thống lưu kho truyền thống, bán tự động sang hệ thống kho thông minh hoàn toàn tự động Để tiếp cận với xu hướng phát triển của kho thông minh và đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về hiệu quả, tính linh hoạt trong quản lí kho hàng, nhóm chúng em quyết định thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và thi công hệ thống lưu kho tự động” Mục tiêu chính của đồ án này là để giảm thiểu chi phí nhân công, nâng cao năng suất, tối ưu hóa các quy trình vận hành và tạo ra hệ thống vận hành có tính ổn định nhất.
Phạm vi nghiên cứu
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài này là tập trung vào việc thiết kế một mô hình hệ thống có khả năng hoạt động hoàn toàn tự động, quản lí dữ liệu xuất nhập kho và các cảnh báo, lỗi trong quá trình hoạt động.
Mục tiêu đề tài
- Thiết kế kho hàng với kích thước 4x4 Chiều dài, chiều rộng và chiều cao của kho hàng là 700x100x1000 mm, trọng lượng khi kho hàng trống là 10kg
- Khu vực làm việc của mô hình hệ thống 1500x1200mm với 2 hệ thống cơ cấu vít me đai ốc là trục X dài 1200mm, rộng 250mm và trục Z dài 1100mm, rộng 250mm và một trục Y có cơ cấu trượt rút với độ dài khi hoạt động tối đa là 350mm hoạt động dưới sự kiểm soát của phần mềm quản lý Tổng khối lượng của mô hình là 35kg
- Mô hình có thể thực hiện hành động xuất nhập kho một cách tự động, có thể trực tiếp điều khiển hệ thống nếu muốn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2
- Điều khiển và giám sát được hệ thống thông qua giao diện HMI, quản lí được dữ liệu thông qua SQL sever và Websever
- Xây dựng chương trình giám sát dễ dàng sử dụng và trực tiếp thao tác
- Có thể phân loại sản phẩm bằng mã QR chính xác và ổn định
- Cuối cùng, đánh giá tỉ lệ quét được mã vạch ở điều kiện đầy đủ ánh sáng và ở điều kiện thiếu sáng, đánh giá hiệu suất làm việc khi làm việc thực tế.
Giới hạn đề tài
- Kho có kích thước 4x4 hạn chế việc phân loại đa dạng các sản phẩm
- Hệ thống chỉ có thể nâng được các hàng hóa có tải trọng nhỏ hơn 45g
- Hệ thống dùng những mã QR đơn giản tự tạo.
Phương pháp nghiên cứu
- Tham khảo tài liệu, những hệ thống lưu kho tự động có sẵn thị trường
- Dựa trên các tài liệu nghiên cứu khoa học, trên các trang mạng: Google scholar, Studocu,… đồ án tốt nghiệp của các năm trước
- Tính toán, thiết kế và thi công mô hình hệ thống
- Lập trình logic hệ thống và thực nghiệm
Nội dung đề tài
Trong đề tài này nhóm sẽ thiết kế hệ thống lưu kho tự động với thông số của mô hình như sau:
Thiết kế kho hàng với kích thước 4x4 Chiều dài, chiều rộng và chiều cao của kho hàng là 700x100x1000 mm Khu vực làm việc của mô hình hệ thống 1500x1200mm với 2 hệ thống cơ cấu vít me đai ốc là trục X dài 1200mm, rộng 250mm và trục Z dài 1100mm, rộng 250mm và một trục Y có cơ cấu trượt rút với độ dài khi hoạt động tối đa là 350mm hoạt động dưới sự kiểm soát của phần mềm quản lý Tổng khối lượng của mô hình là 30kg
Quá trình nghiên cứu, chế tạo và hoàn thiện đồ án với những quy trình sau: Đầu tiên nhóm tìm kiếm các đề tài đã được thực hiện trên nhiều phương tiện truyền thông và nhóm đã nhận thấy được các vấn đề hệ thống lưu trữ hàng hóa hiện nay đang tồn tại Sau khi có được các thông tin cần thiết, nhóm tiến hành tìm hiểu, phân tích, tính toán và chọn thiết bị cần thiết cho mô hình Sau đó, nhóm tiến hành thiết kế hệ thống 2D và 3D cho ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3 hệ thống Sau quá trình thiết kế trên hệ thống phần mềm mô phỏng thì nhóm tiến hành tìm nguồn cung cấp và đặt mua vật tư cho sản phẩm
Sau khi có các thiết bị cơ bản, nhóm bắt đầu thiết kế lưu đồ điều khiển cho mô hình và hoàn thiện khâu gia công chế tạo mô hình, tủ điện Sau đó, nhóm tiến hành giai đoạn lập trình với phần mềm TIA portal và chạy thử phần mềm Khi mô hình đã hoạt động ổn định, nhóm bắt đầu tạo một hệ cơ sở dữ liệu để quản lí dữ liệu cho hệ thống và giao diện để điều khiển, giám sát hệ thống trên HMI và Websever
Sau nhiều giai đoạn chỉnh sửa và tối ưu hệ thống nhóm tiến hành các đánh giá và tìm ra hướng phát triển của hệ thống ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khái niệm
Kho hàng tự động, hay còn được gọi là kho thông minh, là hệ thống lưu trữ hàng hóa sử dụng các thiết bị công nghệ cao để quản lý hàng hóa trong kho Nó hoạt động tự động dưới sự kiểm soát của con người thông qua phần mềm quản lý
- Tối ưu hóa về mặt thời gian lưu trữ
- Giảm thiểu tai nạn lao động và tăng diện tích kệ hàng
- Dễ dàng bố trí nhà kho hợp lý, tăng lượng hàng hóa được lưu trữ trong kho chứa hàng
- Dễ sửa chữa bảo trì
- Giảm thiểu chi phí thiệt hại khi sản phẩm tồn kho hoặc hư hỏng
- Lưu trữ hàng hóa loại dược phẩm, thực phẩm
- Lưu trữ linh kiện điện tử
- Lưu trữ hàng hóa phục vụ cho ngành logistics
Hệ thống lưu kho tự động được hình thành bởi 3 hệ thống chính:
- Hệ thống điều khiển và giám sát: gồm trung tâm điều khiển PLC, màn hình giao diện người máy HMI, cảm biến, bộ điều khiển (driver), và các rơ le trung gian Hệ thống này có vai trò nhận và xử lý tín hiệu được gửi từ các thiết bị đầu vào (cảm biến), sau đó thực hiện các nhiệm vụ thông qua các cơ cấu thực thi (rơ le và driver) Hơn nữa, hệ thống còn trình bày thông tin một cách trực quan thông qua giao diện người-máy (HMI)
- Hệ thống vận chuyển: Băng tải, robot, xe tự hành, … dùng để di chuyển hàng hóa qua các công đoạn hay dùng để gắp hàng bỏ vào kho ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5
- Hệ thống phân loại: Máy quét mã vạch, camera công nghiệp (nhận diện mã tem được dán trên hàng hóa)
- Hệ thống lưu trữ: gồm kho, giá đặt hàng và phần mềm quản lý hàng hóa trong kho Trong đó, kho và giá đặt hàng có nhiều khoang dùng để chứa hàng hóa được nhập vào Phần mềm quản lý hàng hóa dùng để lưu trữ các thông tin ngày tháng, mã vạch, loại sản phẩm,…để tạo thành một cơ sở dữ liệu cho người dùng dễ quản lý
2.4.1 Hệ thống điều khiển và giám sát
PLC (Programmable Logic Controller) là một thiết bị cho phép lập trình thực hiện các thuật toán điều khiển logic Sự ra đời của nó đáp ứng nhu cầu điều khiển các công đoạn hoặc máy móc phức tạp một cách chính xác và có trật tự Ngôn ngữ lập trình phổ biến hiện nay là Ladder, Step Ladder, dễ dàng tiếp cận và sửa đổi Các dòng PLC phổ biến hiện nay bao gồm PLC Siemens và PLC Mitsubishi
Siemens là một tập đoàn lớn trong lĩnh vực "Tự động hóa" của Đức Tùy thuộc vào nhu cầu và mục đích sử dụng, người dùng có thể lựa chọn các dòng sản phẩm PLC phù hợp Các dòng PLC của hãng sản xuất có thể kể đến bao gồm: Logo, S7-200, S7-1200, S7-1500 Ngoài ra, hệ sinh thái đi kèm của PLC Siemens cũng cực kỳ đa dạng và đáp ứng nhu cầu cần thiết khác như mở rộng các cổng vào/ra, màn hình HMI, biến tần,… Đồng thời, có các khối hàm chức năng chuyên dụng giúp người dùng dễ dàng đọc và kiểm tra chương trình một cách thuận tiện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6
Hình 2.1 PLC siemens và hệ sinh thái đi kèm
- Giá thành phải chăng, ngôn ngữ lập trình và tập lệnh đa dạng
- Sản phẩm và hệ sinh thái đi kèm đa dạng
- Khả năng điều khiển quá trình và truyền thông khá mạnh và ổn định
- Kích thước nhỏ gọn, độ bền cao và có thể mở rộng nhiều module
- Khó khăn cho người mới bắt đầu lập trình
- Số lượng ngõ vào/ ra còn hạn chế cần thêm module mở rộng khi có nhiều ngõ vào, ngõ ra
- Phần mềm lập trình có giá thành khá cao
PLC Mitsubishi là dòng PLC xuất xứ từ đất nước mặt trời mọc Nhật Bản Nó được biết đến là dòng PLC có độ bền cao, giá thành hợp lý và hoạt động ổn định trong mọi điều kiện Các dòng PLC bao gồm: Q Series, L Series, FX Series,… Ngôn ngữ lập trình dễ tiếp cận, đặc biệt hỗ trợ mạnh về điều khiển vị trí và bộ đếm xung tốc độ cao Việc lập trình khá đơn giản, tuy nhiên có thể phức tạp và tốn thời gian đối với những chương trình phức tạp ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 7
- Giá thành phải chăng, đa dạng dòng sản phẩm tùy thuộc nhu cầu sử dụng
- Khả năng điều khiển rời rạc và truyền động khá mạnh
- Tập lệnh đa dạng, dễ tiếp cận
- Kích thước nhỏ gọn, độ bền cao và có thể mở rộng nhiều module
- Gặp khó khăn khi viết chương trình phức tạp
- Số lượng ngõ vào/ ra còn hạn chế cần thêm module mở rộng khi có nhiều ngõ vào, ngõ ra
Cảm biến quang là loại cảm biến phát ra ánh sáng và nhận tín hiệu trở lại để phát hiện sự hiện diện của vật Khi bộ phận thu phát hiện thay đổi, tín hiệu tại ngõ ra (OUT) sẽ được xuất ra thông qua mạch điều khiển ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 8
- Không cần tiếp xúc nhưng vẫn có thể phát hiện vật ở khoảng cách xa
- Có tuổi thọ, độ chính xác và tính ổn định cao
- Phát hiện được đa dạng các loại vật thể
- Đáp ứng nhanh, độ nhạy có thể điều chỉnh theo ứng dụng
- Hoạt động kém hiệu quả khi bề mặt bẩn
- Tùy thuộc vào màu sắc và độ phản xạ của vật mà cảm biến có thể nhận diện ở khoảng cách xa hay gần
- Cảm biến tiệm cận có khả năng phản ứng khi có vật ở gần, thường là vài milimet (mm) Một vài đặc điểm cảm biến tiệm cận:
- Nhận biết vật ở một khoảng cách nhất định
- Hoạt động ổn định, không rung hay sốc
- Khả năng đáp ứng nhanh, tuổi thọ cao
- Dễ lắp đặt, hoạt động tốt trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 9
Hình 2.4 Cảm biến tiệm cận
Băng tải là một hệ thống máy được sử dụng để di chuyển hàng hoá và vật tư từ một điểm đến một điểm khác theo một hướng cụ thể Nó giúp tiết kiệm sức lao động, giảm thiểu số lượng nhân công và làm giảm thời gian vận chuyển hàng, đồng thời góp phần tăng năng suất lao động và chất lượng công việc Băng tải được phân loại chủ yếu dựa trên kiểu dáng, thành phần và vật liệu cấu tạo của nó Trong ngành công nghiệp hiện nay, có những loại băng tải phổ biến như: băng tải cao su, băng tải mini và băng tải lăn
Có sẵn băng tải làm từ cao su
- Ưu điểm: khả năng chịu nhiệt tốt và sức chứa lớn, giúp tăng cường hiệu quả kinh tế Băng tải cao su có thể lắp đặt trên nhiều loại địa hình và phù hợp cho việc vận chuyển đa dạng sản phẩm
Hình 2.5 Băng tải cao su
Băng tải mini ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 10
Bên cạnh đó, băng tải mini, như tên gọi, được thiết kế với kích thước nhỏ và thường được áp dụng trong ngành công nghiệp chế tạo máy Nó thường là một phần của các máy sản xuất, được sử dụng để cung cấp các chi tiết và sản phẩm qua từng công đoạn sản xuất
- Ưu điểm: nhỏ gọn, phù hợp đặc biệt với sinh viên thực hiện các dự án và có chi phí thấp
Mặt băng tải được tạo thành từ nhiều con lăn liên kết với nhau, và chất liệu chế tạo con lăn có thể là nhựa, thép mạ kẽm, inox hoặc cao su
- Ưu điểm của băng tải con lăn là khả năng chịu tải tốt, độ bền cao, và có thể được sử dụng để vận chuyển các sản phẩm có mặt phẳng đáy cứng trong nhiều điều kiện môi trường khắc nghiệt, như môi trường chứa hóa chất ăn mòn và bụi bặm
Động cơ bước Động cơ bước cơ bản là loại động cơ đồng bộ có khả năng chuyển đổi các tín hiệu điều khiển dạng xung điện rời rạc thành chuyển động quay Các loại động cơ bước thường được phân loại theo số pha, số cực của động cơ và cấu trúc của rotor trong động cơ Hiện nay, động ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 11 cơ bước được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao như trong công nghệ cắt plasma CNC, máy cắt laser CNC
- Định vị chính xác cao, khả năng duy trì mô-men tốt
- Độ bền cao, bảo trì và bảo dưỡng dễ dàng
- Điều khiển mạch mở, không cần phản hồi khi điều khiển vị trí và vận tốc
- Làm việc ồn Ở tốc độ thấp thì động cơ làm việc không đều
- Cần sử dụng thêm driver để điều khiển
Động cơ DC Động cơ điện một chiều DC (Direct Current Motors) hoạt động dựa trên nguồn điện một chiều và được điều khiển bằng nguồn này Loại động cơ này chuyển đổi điện năng thành cơ năng Động cơ DC thường có mô-men khởi động lớn, cho phép kéo tải nặng khi khởi động, và cũng có khả năng quá tải tốt cùng với nhiễu điện từ thấp Cấu trúc của động cơ DC bao gồm:
- Stator: Bộ phận không di chuyển chứa các nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm từ trường
- Rotor: Bộ phận quay được, được cấu tạo từ các cuộn dây quấn tạo thành nam châm điện
- Chổi than (brushes): nơi tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ
Lựa chọn phương án thiết kế kho hàng tự động
Kho hàng tự động là bước tiến lớn nhất của quá trình tự động hóa và thông minh hóa kho, kết hợp với nhiều công nghệ tự động và kết nối với nhau Để đạt được sự hòa hợp dễ dàng và ổn định với các công nghệ tiên tiến, việc xây dựng một hệ thống kho hàng tối ưu về công nghệ, giá thành và không gian sử dụng là cần thiết
3.2.1 Phương án thiết kế khung kho hàng
Ngày nay, có đa dạng kiểu dáng và mẫu mã khác nhau cho khung kệ trong các kho hàng Tuy nhiên, không kể kiểu dáng nào, khung kệ của một kho hàng cần đảm bảo các yếu tố sau:
- Khung phải có tính thẩm mĩ: Kệ kho hàng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra diện mạo của nhà kho Vì vậy, quan trọng là chọn những kệ được thiết kế thông minh, màu sắc hài hòa với không gian xung quanh và phù hợp với màu sơn của xưởng Tránh chọn các kệ có nhiều màu sắc vì có thể gây rối mắt
- Khả năng chịu tải của kệ: chọn kết cấu, vật liệu khung phải phù hợp với khối lượng và kích thước của hàng hóa
- Khung của kho hàng phải được lắp đặt, bố trí phù hợp với diện tích kho chứa và không gian làm việc hiệu quả của Robot
Các loại giá và kệ kho hàng phổ biến ngày nay bao gồm:
Kệ Selective: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 20 Đây là loại kệ chịu tải trọng nặng, được thiết kế để đựng hàng hóa trên pallet và có thể được sử dụng với sự hỗ trợ của các loại xe nâng Kệ chứa hàng có khả năng chứa hàng với tải trọng khoảng: 500~2500 kg/pallet; nguyên tắc xuất/ nhập hàng: Chọn lọc, FIFO, LIFO
Hình 3.1 Hệ thống kệ Selective
Kệ Selective được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp đa dạng như thực phẩm, cơ khí, hàng tiêu dùng, linh kiện sản xuất, và có khả năng chịu được các điều kiện bảo quản khắc nghiệt như trong kho lạnh với nhiệt độ -600°C
- Tối ưu diện tích sử dụng kho
- Xuất – nhập hàng hóa dễ dàng
- An toàn cho hàng hóa và con người
- Kiểm soát kho hàng tốt thông qua các mã vạch được tích hợp trong phần mềm
Kệ pallet di động (Mobile Rack)
Hệ thống kệ pallet di động tạo lối đi cho xe nâng hàng, giúp quản lý vị trí và tối ưu hoá quá trình vào/ra của xe nâng một cách thuận lợi Hệ thống kệ pallet này giúp giảm diện tích nhà kho đến 50% ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 21
Hình 3.2 Hệ thống kệ di động
Kệ Pallet di động mang lại nhiều lợi ích với chuyển động bánh xe mượt mà, giao diện người dùng thân thiện và tích hợp cảm biến an toàn:
- Độ an toàn cao nên thường dùng để lưu trữ các tài liệu
- Các công cụ, vật tư đắt tiền, …
- Khả năng linh hoạt và độ bảo mật cao, nhất là trong việc quản lý
Kệ double deep Đây cũng là một loại kệ chứa hàng lựa chọn (selective), được hình thành bởi hai dãy kệ đôi đặt lưng vào nhau, giúp giảm diện tích lối đi và tăng diện tích sử dụng sàn
- Các pallet được xe nâng vận chuyển linh hoạt từ trong ra ngoài
- Khả năng chứa lượng hàng hóa nhiều hơn so với kệ Selective
- Tối ưu diện tích kho do các kho được xếp cạnh nhau và vận chuyển bằng xe nâng
- Pallet được vận chuyển theo nguyên tắc LIFO ( vào trước ra sau) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 22
Kệ driver in: Đây là loại kệ hàng trong kho chuyên dụng cho sản phẩm đồng nhất, có khả năng lưu trữ mật độ hàng hóa lớn, hiệu quả đầu tư cao, và giảm thiểu diện tích sử dụng kho dành cho lối đi
- Tối đa diện tích sử dụng trong kho
- Phù hợp thiết kế với giải pháp “FILO” hoặc “FIFO”
- Phù hợp chứa thực phẩm trong các ngành thủy sản, kho lạnh,…
- Lối đi chỉ dành cho xe nâng nên tiết kiệm được diện tích
Hình 3.4 Hệ thống kệ Drive in ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 23
=> Dựa trên việc đánh giá tiêu chí và xem xét ưu, nhược điểm của các hệ thống kệ hiện có, nhóm chúng em đã quyết định lựa chọn một khung kho hàng theo kiểu kệ Selective, đơn giản hóa để phù hợp với dự án của chúng tôi và dễ dàng trong quá trình lắp đặt cũng như sử dụng
3.2.2 Phương án thiết kế cánh tay cơ khí
Vai trò của cánh tay robot: là một phần không thể thiếu trong hệ thống kho hàng tự động, chúng vận chuyển hàng hóa ra vào kho Kích thước của cánh tay robot phụ thuộc vào kích thước của kho hàng Tùy thuộc vào hình dáng của kho hàng, cánh tay robot có thể có số lượng bậc tự do khác nhau để đáp ứng các yêu cầu cụ thể Trong các mô hình kho chứa nhỏ, cánh tay robot thường có ít nhất từ 3 đến 4 trục chuyển động Trong trường hợp của dự án này, cánh tay robot bao gồm ba chuyển động tịnh tiến theo hệ trục tọa độ Oxyz
Hầu hết các robot đều áp dụng một trong ba loại hệ thống truyền động: khí nén, thủy lực, và điện
Hệ thống truyền động khí nén sử dụng năng lượng của khí nén Các động cơ này thường được biết đến với tính đáng tin cậy nhờ ít bộ phận chuyển động, giá thành thấp và phản ứng nhanh Tuy nhiên, chúng thường không đạt được độ chính xác cao về tốc độ và kiểm soát vị trí so với các phương pháp khác
Trong lĩnh vực công nghiệp Robot, các cơ chế chủ yếu được áp dụng cho các ứng dụng bật/tắt hoặc gắp/thả
Nếu Robot lớn hoặc có nhiệm vụ xử lý tải trọng lớn, thủy lực sẽ hoạt động tối ưu nhất Chúng hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng từ chất lỏng thành hoạt động cơ học thông qua quá trình bơm Mặc dù các cơ chế thủy lực đảm bảo điều chỉnh vận tốc, chuyển động chính xác và có tỷ lệ công suất trên trọng lượng phù hợp, chúng thường phát ra tiếng ồn và có kích thước lớn Ngoài ra, có những rủi ro liên quan đến rò rỉ hoặc thay đổi tính chất của chất lỏng dịch vụ do biến đổi nhiệt độ Động cơ điện là thiết bị cơ điện chuyển đổi năng lượng điện thành cơ khí để tạo ra chuyển động Các bộ truyền động này được ưa chuộng trong việc chế tạo Robot vì một số lý do sau đây:
- Điện, nguồn tài nguyên được sử dụng rộng rãi
- Các cơ chế này phù hợp với Robot có mọi kích thước
- Mặc dù nhỏ gọn và nhẹ, chúng có tỷ lệ chuyển đổi năng lượng lớn, cũng như độ chính xác và độ lặp lại tuyệt vời
- Không ô nhiễm trong môi trường làm việc
- Hệ thống dễ bảo trì và mạnh mẽ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 24
Ngoài ra, động cơ điện cũng có một số hạn chế như khi đối mặt với tải trọng lớn, yêu cầu sử dụng động cơ có công suất cao dẫn đến chi phí cao; kích thước và trọng lượng của động cơ càng lớn, ảnh hưởng đến thiết kế cơ khí Do đó, trong thực tế, cần xem xét tải trọng của hàng hóa để lựa chọn hình thức dẫn động cho cánh tay Robot
=> Trong dự án kho hàng tự động này, nhóm đã quyết định sử dụng hệ thống dẫn động bằng động cơ điện vì động cơ này phổ biến, nhỏ gọn, có nhiều mức công suất và nhiều loại để lựa chọn Đồng thời, động cơ này có khả năng truyền động nhiều dạng chuyển động khi kết hợp với các cơ cấu truyền động khác nhau, đồng thời cung cấp tính linh hoạt cao khi điều khiển vị trí và tốc độ.
Tính toán phương án truyền động
Hệ truyền động của cánh tay cơ khí được sử dụng để điều khiển quá trình hoạt động của cánh tay, với các trục chuyển động tương ứng với hệ trục tọa độ Oxyz Có ba chuyển động chính, đó là 3 chuyển động thẳng tịnh tiến, được mô tả như sau:
- Cơ cấu cánh tay chuyển động tịnh tiến chạy dọc theo hành lang kho hàng
- Cơ cấu nâng hạ chuyển động lên và xuống
- Cơ cấu đỡ hàng thực hiện bằng chuyển động đẩy, rút để đưa hàng vào vị trí mong muốn
3.3.1 Cơ cấu vitme - đai ốc trượt
Cơ cấu truyền động Vít me – đai ốc biến truyền động quay thành chuyển động tịnh tiến
Có hai loại truyền động vít me - đai ốc: vít me - đai ốc trượt và vít me - đai ốc bi
Cơ cấu vít me-đai ốc trượt:
- Độ chính xác, tỷ số truyền và lực truyền cao
- Truyền động nhanh và êm với vít me có bước ren và số vòng quay lớn
- Hiệu suất truyền động thấp, chúng ít được sử dụng để thực hiện các chuyển động chính Kết cấu vít me- đai ốc trượt:
Có 2 dạng ren thường được sử dụng cho vít me:
- Ren có hình dạng hình thang với góc 30 độ mang các ưu điểm: gia công đơn giản, có thể phay hoặc mài Nếu sử dụng với đai ốc bổ đôi, việc mở và đóng ren trở nên dễ dàng
- Ren hình vuông được sử dụng đặc biệt trên các máy cắt ren chính xác và máy tiện hớt lưng
Kết cấu của vít me nên được chế tạo với hai cổ trục giống nhau để, sau một thời gian sử dụng, có thể thực hiện việc lắp đảo ngược vít me Điều này giúp đảm bảo rằng bề mặt làm việc của vít me bị mòn đều ở cả hai bên ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 25 Ổ đỡ vít me: Ổ đỡ vít me giữ vai trò quan trọng trong việc đảm bảo trục chuyển động với độ dao động trục và độ hướng kính nhỏ
Hình 3.5 Kết cấu vitme – đai ốc Các phương pháp để giảm độ biến dạng của vít me:
- Dùng bạc với tỷ lệ l/d lớn (với l là chiều dài và d là đường kính trong của gối đỡ) để nâng cao độ cứng của gối đỡ
- Đối với những vít me quá dài và nặng nên dùng thêm các gối đỡ treo phụ
3.3.2 Cơ cấu vít me bi
Cơ cấu đai ốc và vít me bi là một cơ cấu chấp hành trượt dẫn hướng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghiệp ngày nay Bao gồm ba thành phần chính: đai ốc và vít me bi, trục vít me, và gối đỡ trục vít me Đai ốc và vít me bi có cấu tạo dạng ổ bi, bao gồm phần vỏ ngoài và các rãnh bi ở bên trong
Trục vít me bi đâm xuyên qua đai ốc vít me bi, với một lớp bi thép nằm giữa hai thiết bị, chạy dọc theo các rãnh của đai ốc vít me bi Nhờ lớp bi thép giúp giảm ma sát nên quá trình truyền động trở nên mượt mà và trơn tru hơn
Gối đỡ trục vít me là một bộ phận đặt giữa trục vít me để truyền động vít me bi từ động cơ thông qua khớp nối
Các thành phần này kết hợp tạo thành cơ cấu đai ốc và vít me bi hoàn chỉnh, đóng vai trò chuyển đổi từ chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 26
Hình 3.6 Cơ cấu vitme – đai ốc bi
Cơ cấu vít me đai ốc bi:
- Có hiệu suất cao do it ma sát, có thể đạt từ 90 – 95 %
- -Do lực ma sát gần như không phụ thuộc vào tốc độ chuyển động, việc đảm bảo chuyển động ở các vận tốc nhỏ được đảm bảo
-Với mối ghép gần như không có khe hở và có thể tạo ra lực căng ban đầu, độ cứng và ổn định hướng trục được đảm bảo cao
Do những ưu điểm đó, vít me đai ốc bi thường được lựa chọn cho các máy yêu cầu truyền động thẳng chính xác như máy khoan, máy doa tọa độ, và các máy điều khiển chương trình số
Truyền động đai là truyền động bằng cách kéo dây đai Chúng truyền mô men xoắn và tốc độ giữa hai trục, và có thể có một khoảng cách lớn hơn so với bộ truyền bánh răng Do tất cả các dây được làm từ nhựa hoặc vải dệt, đặc tính của chúng khác biệt đáng kể so với các hệ thống truyền bánh răng hoặc xích
Bộ truyền đai là bộ truyền cơ khí được sử dụng đầu tiên và đến hiện nay vẫn đang được sử dụng một cách rộng rãi, có nhiều loại đai như đai thang, đai dẹt, đai răng, ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 27
Hình 3.7 Mô hình truyền động đai
Bộ truyền đai có nhiều ưu điểm như:
- Khoảng cách truyền động giữa các trục xa nhau
- Làm việc êm và không gây tiếng ồn, có khả năng truyền động với vận tốc cao
- Hạn chế sự dao động khi quá tải nhờ vào sự trơn trượt của đai
- Kết cấu và vận hành đơn giản
Tuy nhiên, cũng có những hạn chế tồn tại như:
- Hiệu suất bộ truyền thấp
- Kích thước bộ truyền lớn
- Trục phải chịu tải trọng lớn do phải căng dây đai từ ban đầu để đảm bảo ổn định
Qua việc phân tích các cơ cấu truyền động trên nhóm thực hiện quyết định chọn cơ cấu truyền động vít me – đai ốc trượt cho trục X, Z và cơ cấu truyền động đai cho trục Y
3.3.4 Tính toán cơ cấu vít me – đai ốc trượt
Tính toán trục chuyển động vít me-đai ốc [1] Đường kính trung bình của ren:
Trong đó: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 28
h: hệ số chiều cao ren
h = 0.5 với ren hình thang và hình vuông
Do vật liệu cấu thành của vít me là thép đồng thanh q = 8 (Mpa), H = 1.2
Thay thông số vào (3.1) ta được:
Kiểm nghiệm độ bền theo thuyết 4 ta có: td 2 2 a 2 2 3 2
T: momen xoắn trên tiết diện nguy hiểm của vật
: ứng suất cho phép (kéo hoặc nén)
với ch là giới hạn chảy của vật liệu vít d1: đường kính trong của ren vít (8 mm)
Tiết diện nguy hiểm là tiết diện nhận toàn bộ lực dọc trục F và momen là giá trị lớn hơn a trong hai giá trị T (momen ren) và r T g (momen gối tì) ta có: r a 2
: momen xoắn trên tiết diện nguy hiểm của vật arctgf
: góc ma sát ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 29
với ch là giới hạn chảy của vật liệu vít
Các thông số của vít me
Ph: bước vít z : số mối ren h p: bước ren
Với hệ số ma sát f = 0,1 (thép – đồng thanh) ta tính được góc ma sát arctg(0.1)5.71 thay vào công thức (3.3) ta có:
Chọn mặt tì: D = 22 (mm), trị số momen gối tì: 0 g 1 a 0
Ta có hệ số ma sát f = 0,1 (thép – đồng thanh) khi đó theo công thức (3.5) thì: g r
Thay thông số vào (2.2) ta được:
Với thép 45 ch = 360 (Mpa) → ch 360 120
Do td nên điều kiện bền được đảm bảo
Tính kiểm nghiệm về ổn định [1] ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 30
Momen quán tính của tiết diện vít J:
Thay thông số vào (3.6) ta được:
(mm 2 ) Bán kính quán tính của tiết diện vitme:
Thay thông số vào (3.7) ta được:
Độ mềm λ của vitme là:
𝜇 : hệ số chiều dài tương đương, xác định như sau :
𝜇 = 1 khi cả hai đầu vít được cố định bằng bản lề
𝜇 = 0,7 khi đầu vít cố định bằng bản lề còn đầu kia bị ngàm
(đai ốc tựa được coi như ngàm)
𝜇 = 0,5 khi cả hai đầu vít bị ngàm
𝜇 = 2 khi một đầu bị ngàm và đầu vít còn lại tự do l: chiều dài của vít (900 mm)
Vì 𝜆 > 100 nên dùng công thức Ơle đi tính tải trọng giới hạn ta có:
Thay thông số vào (2.9) ta được: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 31
(E – modun đàn hồi, với thép E 2, 5.10 5 Mpa)
Kiểm nghiệm độ bền cho vít me: th O
So : hệ số an toàn về ổn định
[𝑆o] = 2,5 … 4: hệ số an toàn ổn định
Thay thông số vào (2.10) ta được:
→ Điều kiện ổn định được đảm bảo.
Lựa chọn thiết bị
Cảm biến phải đáp ứng yêu cầu phát hiện sản phẩm trên băng tải, cần sử dụng cảm biến có độ nhạy cao, sử dụng điện áp phổ biến để tránh hiện tượng sụt áp và giảm nguy cơ cháy nổ Bảng 1: Bảng thông số về cảm biến
Cảm biến Đặc điểm E3F – DS10C4
Khoảng cách phát hiện 3 – 10cm
Kết nối Ba dây đơn
Cảm biến này tuy giá thành thấp và chưa tối ưu khi ứng dụng vào công nghiệp nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu trên nên nhóm quyết định chọn cảm biến này ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 32
Hình 3.8 Cảm biến quang phát hiện vật E3F – DS10C4
3.4.1.2 Webcam Để quét mã QR code được trơn tru, ít lỗi, trả về đúng kết quả cho chương trình xử lí và tối ưu về mặt chi phí, kích thước nhỏ gọn Và trong quá trình tìm hiểu nhóm đã tìm được webcam phù hợp với các thông số sau:
Bảng 2 Bảng thông số về camera quét mã vạch
Kích thước 71x31x26 Độ phân giải 720p/30fps
Cổng kết nối USB ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 33
Hình 3.9 Webcam Logitech C310 HD 720p/30fps
Nhóm đã quyết định sử dụng dòng PLC Siemens cho đề tài của mình vì tính phổ biến và dễ tiếp cận, bên cạnh đó cũng dễ dàng hơn trong việc xây dựng chương trình điều khiển và tạo giao diện SCADA Do nhóm cần điều khiển động cơ ba trục với ngõ vào là tám và ngõ ra là mười Trong quá trình tìm hiểu thì nhóm đã xác định được loại phù hợp cho đề tài với các thông số sau:
Bảng 3: Bảng thông số về PLC S7-1200
Loại Đặc điểm CPU 1214C DC/DC/DC
Số lượng ngõ vào / ngõ ra 14 ngõ vào / 10 ngõ ra
Bộ nhớ làm việc 100kB
Bộ nhớ bit (M) 8192 byte Độ mở rộng các mô đun tín hiệu 8
Xung ngõ ra 4 bộ ( 100kHz và 20kHz) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 34
Hình 3.10 PLC Siemens S7-1200, CPU 1214C DC/DC/DC
3.4.3 Các thiết bị ngõ ra
Hệ thống có các ngõ ra là các động cơ, sau khi PLC nhận các tín hiệu ngõ vào, thông qua giải thuật và chương trình điều khiển, khối xử lý trung tâm sẽ cấp các tín hiệu ngõ ra để điều khiển các thiết bị
3.4.3.1 Tính công suất động cơ
3.4.3.1.1 Tính momen xoắn cho động cơ trục X
Theo thông số thiết kế:
- Đường kính vitme: DB = 12 mm
Momen xoắn của động cơ bước:
Trong đó: TL: momen tải (N.m)
Sf: hệ số an toàn Momen tảiđược tính theo công thức:
Trong đó: F: lực làm bàn máy dịch chuyển
𝜇 0 : hệ số ma sát khớp nối ren (0,3) 𝜂: hiệu suất động cơ (0,95)
I: tỷ số truyền của hệ thống
𝑃 𝐵 : bước của vitme (8mm) Lực làm bàn máy dịch chuyển được tính theo công thức:
Hình 3.11 Lực tác dụng của trục X Trong đó: 𝐹 𝐴 : Ngoại lực à: Hệ số ma sỏt bề mặt (0,1) Ө: góc nghiêng của trục X (độ)
Giả sử ngoại lực tác dụng là không đáng kể ( 𝐹 𝐴 = 0), góc nghiêng trục X Ө = 0 độ và gia tốc trọng trường g = 10m/𝑠 2 Dựa vào các số liệu ở trên thay vào công thức ta được: F = 10 (N)
Do động cơ được nối với cơ cấu vit me là khớp nối cứng nên hệ số truyền tải bằng 1
Thay vào công thức ta được: TL = 1,468.10 −2 (N.m)
Momen tăng tốc được tính theo công thức:
Trong đó: 𝐽 0 : momen quán tính roto ( 380.10 −7 Kg.𝑚 2 )
𝐽 𝐿 : momen quán tính tải ( Kg.𝑚 2 )
𝑁 𝑀 : Tốc độ quay của trục vitme (vòng/phút) Momen quán tính tải được tính theo công thức:
Momen quán trính trục vitme được tính theo công thức:
Hình 3.12 Momen quán tính của trục vitme Trong đó: : khối lượng riêng của thép
32.7,9.10 3 1 (12 10 −3 ) 4 = 1,6 10 −5 (Kg 𝑚 2 ) (3.17) Momen quán tính của bàn máy:
Ta có (3.17) và (3.18), thay vào (3.15) ta được: 𝐽 𝐿 = 3,22 10 −5
Chọn tốc độ quay của trục vitme 𝑁 𝑀 = 250 (vòng/phút)
Từ (3.14) ta có momen tăng tốc:
Chọn hệ số an toàn 𝑆 𝑓 = 2, từ (3.1) ta có momen xoắn của động cơ:
3.4.3.1.2 Momen xoắn cho động cơ trục Z
Theo thông số thiết kế:
- Đường kính vitme: DB = 10mm
Momen xoắn của động cơ bước:
Trong đó: TL: momen tải (N.m) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 37
Sf: hệ số an toàn Momen tảiđược tính theo công thức:
Trong đó: F: lực làm bàn máy dịch chuyển
𝜇 0 : hệ số ma sát khớp nối ren (0,3) 𝜂: hiệu suất động cơ (0,95) i: tỷ số truyền của hệ thống
𝑃 𝐵 : bước của vitme (8mm) Lực làm bàn máy dịch chuyển được tính theo công thức:
Hình 3.13 Lực tác động của trục Z Trong đó: 𝐹 𝐴 : Ngoại lực à: Hệ số ma sỏt bề mặt (0,1) Ө: góc nghiêng của trục Z (độ)
Giả sử ngoại lực tác dụng là không đáng kể ( 𝐹 𝐴 = 0), góc nghiêng trục Z Ө = 90 độ và gia tốc trọng trường g = 10m/𝑠 2 Dựa vào các số liệu ở trên thay vào công thức ta được: F = 60 (N)
Do động cơ được nối với cơ cấu vit me là khớp nối cứng nên hệ số truyền tải bằng 1
Thay vào công thức ta được: TL = 8,8.10 −2 (N.m)
Momen tăng tốc được tính theo công thức:
Trong đó: 𝐽 0 : momen quán tính roto (380.10 −7 Kg.𝑚 2 )
𝐽 𝐿 : momen quán tính tải (Kg.𝑚 2 )
𝑁 𝑀 : Tốc độ quay của trục vitme (vòng/phút) Momen quán tính tải được tính theo công thức:
Momen quán trính trục vitme được tính theo công thức:
Từ các dữ liệu trên thay vào (3.24)
32.7,9.10 3 0,9 0,01 4 = 6,98 10 −6 (Kg 𝑚 2 ) Momen quán tính trục Z:
Thay số vào (3.25) ta có:
Do đó momen quán tính tải là:
Chọn tốc độ quay của trục vitme 𝑁 𝑀 = 250 (vòng/phút)
Từ (3.22) ta có momen tăng tốc:
1 = 1,43.10 −3 (N.m) Chọn hệ số an toàn 𝑆 𝑓 = 2, từ (3.19) ta có momen xoắn của động cơ:
3.4.3.1.3 Momen xoắn cho động cơ trục Y
Momen xoắn của động cơ bước:
Trong đó: TL: momen tải (N.m) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 39
Sf: hệ số an toàn Momen tải trong truyền động thanh răng và bánh răng có công thức:
Trong đó: F: Lực tác dụng lên thanh răng hoặc bánh răng (N) r: bán kính của trục truyền động (25.10 −3 m)
: hiệu suất truyền động (0,95) Với F = 𝐹 𝐴 + mg(sinӨ + à.cosӨ)
Hình 3.14 Lực tác động của trục Y Trong đó: 𝐹 𝐴 : Ngoại lực à: Hệ số ma sỏt bề mặt (0,1) Ө: góc nghiêng của trục Y (độ)
Giả sử ngoại lực tác dụng là không đáng kể ( 𝐹 𝐴 = 0),, khối lượng trục Y là m = 2kg góc nghiêng trục Y Ө = 0 độ và gia tốc trọng trường g = 10m/𝑠 2 Dựa vào các số liệu ở trên thay vào công thức ta được: F = 60 (N)
Dựa vào các dữ liệu trên thay vào công thức: F = 2 (N)
Thông qua đó momen xoắn của truc Y là: TL = 0,05 (N.m)
Do cơ cấu của trục Y là thanh răng và bánh răng nên momen tăng tốc không đáng kể (Ta = 0) Chọn hệ số an toàn Sf = 2 Khi đó TM = 0,1 (N.m)
3.4.3.2 Động cơ cho vitme trục X
Vitme trục X trong mô hình hệ thống của nhóm được thiết kế với chiều dài khoảng 1m và khi hoạt động sẽ kéo theo tải trọng của cả 2 trục còn lại là Y và Z Do đó nhóm lựa chọn 1 động cơ có yêu cầu là momen lớn và có tốc độ nhanh cho trục X để đảm bảo quá trình lưu kho được tối ưu thời gian ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 40
Bảng 4: Bảng thông số động cơ trục X
Hình 3.15 Động cơ bước 57HS11230
3.4.3.3 Động cơ trục Y (cơ cấu đẩy rút)
Trong hệ thống trục Y là 1cơ cấu chuyển động đẩy và rút với mục đích là lấy và đưa hàng vào kho Cơ cấu thiết kế theo nguyên tắc truyền động thanh răng, bánh răng và puly dây đai
Do có puly dây đai giúp tăng momen và hàng cần nâng có tải trọng tương đối nhẹ nên cần một động cơ có kích thước nhỏ gọn và có độ chính xác Do đó sau quá trình tham khảo nhóm quyết định chọn động cơ bước có kích thước 42x42x34mm cho trục Y
Loại Đặc điểm Động cơ bước 57HS11230
Số pha 3 pha 4 dây Đường kính trục 8 mm
Tỉ số truyền 1:1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 41
Bảng 5: Bảng thông số của động cơ trục Y (cơ cấu đẩy rút)
Hình 3.16 Động cơ bước cỡ 42
Trục điều khiển chuyển động lên xuống để lưu kho và xuất kho là trục Z, khi trục này chuyển động sẽ kéo theo cả trục Y (cơ cấu đẩy rút) Ngoài ra trục vitme của đông cơ trục Z khá dài (90cm) và hành trình di chuyển trên trục là 60cm Do đó sau khi tham khảo với động cơ trục X và nhóm quyết định lựa chọn động cơ NEMA 17 có kích thước 42x42x97 mm đảm bảo momen xấp xỉ với động cơ trục X và hộp số có tỉ số truyền là 57:11 đảm bảo cho ra tốc độ trung bình và độ chính xác cao
Loại Đặc điểm Động cơ bước
Số pha 2 pha 4 dây Đường kính trục 5 mm ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 42
Hình 3.17 Động cơ bước Nema 17 tỉ số truyền 57/11
Các động cơ bước khi hoạt động cần có các driver điều khiển Ba trục X,Y,Z đều có điểm chung là dùng dòng điện khá thấp và cao nhất là của động cơ trục X khi hoạt động là 3A
Yêu cầu chỉ cần đáp ứng được là điều khiển được 3 động cơ bước 2 pha và dòng điện là 3A và thích hợp với tủ điện mà nhóm đang dung để thi công thì nhóm quyết định dung driver Microstep với các thông số sau:
Bảng 6: Bảng thông số driver Microstep
Kích thước 96x57x35 mm Điện áp 9 – 42VDC
Cấp xung tối đa 6400 pulse/rev Khả năng điều khiển Động cơ 2 pha ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 43
Mô hình của nhóm có sử dụng hai băng tải để nhập kho và xuất kho, với yêu cầu là dễ lắp ráp, có khả năng kéo các kiện hàng tương đối nhẹ và có tốc độ ổn định, phù hợp với mô hình Qua việc tham khảo nhóm đã quyết định chọn động cơ JGB37-555 cho việc di chuyển các kiện hàng với thông số là:
Bảng 7: Bảng thông số động cơ băng tải
Dòng điện 1,2A Đường kính trục 6mm
Thiết kế phần cứng trên phần mềm Solidworks
Hình 3.19 Động cơ giảm tốc JGB37-555
3.5 Thiết kế phần cứng trên phần mềm Solidworks
Solidworks là phần mềm thiết kế 3D CAD trực quan, xây dựng mô hình 3D tham số một cách nhanh chóng với các công cụ được tối ưu các bước cho người sử dụng Solidworks hỗ trợ chuyển đổi bản vẽ 2D sang 3D một cách linh hoạt
Nhóm đã tận dụng các công cụ của phần mềm để xây dựng mô hình hệ thống từ các chi tiết riêng lẻ, sau đó ghép các chi tiết lại với nhau để tạo thành mô hình hoàn chỉnh theo góc nhìn 3D
Hình 3.20 Giao diện là việc của Solidworks ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 45
3.5.2 Thiết kế kho chứa hàng
Nhóm đã thiết kế kho hàng làm hoàn toàn bằng nhôm định hình 20x20mm có kích thước 4x4 (16 ô chứa hàng) Mỗi ô chứa hàng có kích thước 15x10x15cm và được nối với nhau bằng các ke góc vuông 20x28mm
Hình 3.21 Hệ thống kho chứa hàng
3.5.3 Thiết kế băng tải vận chuyển hàng hóa
Băng tải vận chuyển hàng hóa là thiết bị không thể thiếu trong mô hình hệ thống này Với chức năng đưa hàng hóa vào/ra hệ thống lưu kho Mô hình ủa nhóm em gồm hai băng tải với chức năng đưa hàng hóa vào đối với băng tải IN và chức năng đưa hàng hóa ra đối với băng tải OUT Bộ phận khung băng tải được lắp ráp với nhau dùng chất liệu là nhôm giúp tạo nên sự chắc chắn khi vận hành Trên các băng tải đều có cảm biến giúp nhận diện hàng hóa và ở băng tải IN có camera giúp quét mã vạch trên hàng hóa khi nhập kho ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 46
Ba trục X,Y, là ba cơ cấu chính của mô hình hệ thống giúp đưa hàng hóa ra/vào kho hàng
Do cần sự tinh chỉnh và chủ động trong hệ thống nên nhóm đã tự thiết kế và gia công ba trục ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 47
Hình 3.24 Tổng quan ba trục vít me
Hai trục vít me X,Z được làm bằng nhôm lắp ráp cùng với các trục tyren trượt và truyền động bằng trục răng với bước răng là 8mm Hai đầu của trục là các gối đỡ và các con trượt vuông được dùng để cơ cấu chuyển động trên các thanh trượt dễ dàng hơn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 48
Hình 3.25 Vít me trục X và Z
Trục Y được thiết kế với cơ cấu đẩy rút, dẫn động bằng puly dây đai, thanh răng và bánh răng Do cần độ chính xác và sự ổn định nên nhóm đã thiết kế cơ cấu gồm hai tầng truyền động bởi thanh răng và bánh răng giúp tăng khoảng cách lấy hàng và nhập hàng
Bên cạnh đó nhóm còn thêm cách bánh xe Vslot nhỏ giúp nâng đỡ tầng trên của trục Y giúp cho cơ cấu ổn định và chuyển động mượt mà hơn Sau khi lắp ghép với nhau, trục Y sẽ bắt vào các con trượt vuông đã được cố định trên trục Z giúp cơ cấu chuyển động lên xuống khi nhập và xuất hàng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 49
Sau quá trình thiết kế và lắp ráp các chi tiết lại với nhau, nhóm dùng một tấm gỗ với kích thước phù hợp với mô hình để cố định các thành phần lại với nhau, thông qua quá trình đó hệ thống có thể hoạt động một cách chính xác.
Thiết kế sơ đồ hệ thống và lưu đồ điều khiển
Hình 3.27 Mô hình xuất/nhập hàng hoàn chỉnh
3.6 Thiết kế sơ đồ hệ thống và lưu đồ điều khiển
3.6.1 Sơ đồ khối hệ thống
Sơ đồ khối được sử dụng để biểu diễn các thành phần chức năng và mối quan hệ giữa chúng trong một hệ thống tự động hóa Trong sơ đồ này, có các khối cơ bản như khối nguồn cung cấp điện 24VDC và 12VDC cho các thiết bị Khối xử lý trung tâm là PLC S7-1200, nhận và xử lý tín hiệu từ các khối đầu vào, sau đó điều khiển các thiết bị trong các khối đầu ra Các khối đầu vào bao gồm cảm biến sản phẩm trên băng tải, gửi tín hiệu đến PLC Các khối đầu ra bao gồm driver và relay, điều khiển hoạt động của các động cơ và băng tải Cuối cùng, khối camera và máy tính, camera ghi lại thông tin mã QR trên sản phẩm, sau đó máy tính xử lý dữ liệu và truyền thông tin trực tiếp vào PLC PLC cũng nhận và xử lý tín hiệu, sau đó truyền thông tin cần thiết đến giao diện giám sát trên máy tính ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 51
Sơ đồ trạng thái là một phần quan trọng trong quá trình phát triển lưu đồ và chương trình điều khiển hệ thống Nó giúp nhóm thiết kế các khối điều khiển cơ bản cần thiết cho hệ thống, bao gồm: khối Stop (tác động dừng hoạt động của hệ thống), khối Reset, khối Run (khởi động hệ thống), hai khối Chế độ Auto và Manual, cuối cùng là khối Alarm
Hình 3.29 Sơ đồ trạng thái hệ thống Khi có điện, hệ thống sẽ luôn ở trạng thái Stop (hệ thống dừng) Nếu trong quá trình này hệ thống có lỗi hay vừa có tình huống dừng khẩn cấp thì cần nhấn “Reset” để tiến hành khởi ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 52 động lại hệ thống Cần nhấn nút “Start” để khởi động hệ thống Khi vận hành, người dung có thể chọn chế độ cho hệ thống để hệ thống bát đầu quá trình xuất và nhập hàng Trong quá trình vận hành, nếu hệ thống gặp lỗi, khối Alarm sẽ nhận và hiển thị trên màn hình giám sát Nếu có lỗi Error, hệ thống sẽ dừng (chuyển về khối Stop) và chờ xử lý lỗi Trong cả hai chế độ vận hành, người điều khiển có thể nhấn “Stop” để dừng hệ thống khi cần thiết
3.6.3 Lưu đồ điều khiển hệ thống
3.6.3.1 Lưu đồ điều khiển cho khối RESET
Khối RESET có chức năng khởi động lại hệ thống khi gặp lỗi, dừng khẩn cấp hay khi cần kiểm tra Trong khi khắc phục lỗi người dung cũng có thể chuyển đổi chế độ hoạt động
Hình 3.30 Lưu đồ khối RESET
3.6.3.2 Lưu đồ điều khiển cho khối RUN
Khối RUN có chức năng khởi chạy hệ thống Để khởi chạy khối RUN người dùng tiến hành nhấn chọn “Start”, sau đó dùng Switch để chọn chế độ cho hệ thống Hệ thống sẽ kiểm tra các điều kiện và bắt đầu vận hành ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 53
Hình 3.31 Lưu đồ khối RUN
3.6.3.3 Lưu đồ điều khiển cho khối Auto
Sau khi nhấn “Start” và dùng Switch chọn khối AUTO, hệ thống sẽ xét trạng thái hiện tại là Import (nhập hàng) hay Export (xuất hàng) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 54
Hình 3.32 Lưu đồ khối AUTO Trong chế độ Import, hệ thống sẽ tiến hành nhập hàng vào các ô trống tương ứng của từng loại từ loại 1 đến loại 4, bắt đầu từ hàng thấp nhất là hàng 1 từ ô A1 đến ô A4 lên đến hàng cao nhất thuộc loại 4 từ ô D1 đến ô D4, cho đến khi kho hàng đầy Nếu một loại nào đó đầy hàng, hệ thống sẽ cảnh báo, và ta có thể nhập hàng loại khác hoặc chuyển sang chế độ Manual Khi bắt đầu chế độ Auto – Import, hệ thống sẽ kiểm tra điều kiện, nếu có kiện hàng đi qua ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 55
CB IN1 thì hệ thống sẽ kích hoạt băng tải IN Khi kiện hàng đến vị trí nhập kho (CB IN 2), băng tải sẽ dừng Camera trên băng tải sẽ quét mã QR trên kiện hàng Khi đó, hệ thống sẽ kiểm tra các ô hàng trống trong kho hàng từ thấp đến cao và chọn vị trí trống gần nhất của loại đó Sau khi xác định được vị trí trống, hệ thống sẽ điều khiển ba trục để lấy hàng và đưa vào ô tương ứng trong kho hàng Sau khi hoàn thành việc nhập hàng, các trục sẽ được điều khiển quay về vị trí Home để chờ nhập kiện hàng tiếp theo Hệ thống sẽ tiếp tục quá trình này cho đến khi nhập đầy từng loại hoặc đầy kho hàng Nếu kho hàng đã đầy và không còn chỗ trống, hệ thống sẽ cảnh báo đầy kho và dừng nhập hàng
Trong chế độ Export, hệ thống sẽ kiểm tra vị trí hàng trong kho từ thấp đến cao Sau khi xác định vị trí của kiện hàng trong kho, hệ thống sẽ bắt đầu xử lý và gửi tín hiệu điều khiển ba trục tới vị trí cần xuất hàng Khi đến vị trí, các trục sẽ bắt đầu lấy hàng ra khỏi kho và đưa đến băng tải OUT Sau khi hàng được đưa vào băng tải, hệ thống sẽ kiểm tra điều kiện và kích hoạt băng tải OUT để xuất hàng
Sau khi hoàn tất quá trình xuất hàng, hệ thống sẽ bắt đầu kiểm tra lại vị trí hàng và chạy lại chu trình xuất hàng mới cho đến khi hàng trong kho được xuất hết Nếu hệ thống đã xuất hết hàng và không còn vị trí nào còn hàng, hệ thống sẽ cảnh báo kho hàng trống và dừng quá trình xuất hàng, cả ba trục sẽ quay về vị trí Home
3.6.3.4 Lưu đồ điều khiển của khối MANUAL
Khối MANUAL của hệ thống là khối cho phép người dùng nhập và xuất hàng theo ý của người vận hành Sau khi dùng Switch chọn khối MANUAL, hệ thống sẽ xét trạng thái hiện tại là Import (nhập hàng) hay Export (xuất hàng) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 56
Hình 3.33 Lưu đồ khối MANUALTrong chế độ Import, hệ thống sẽ kiểm tra điều kiện và kích hoạt băng tải IN Camera sẽ quét và ghi lại mã QR của kiện hàng Sau đó, hệ thống sẽ đợi người vận hành nhập vị trí cần ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 57 nhập hàng Khi nhận được vị trí, hệ thống sẽ kiểm tra Nếu vị trí trống, hệ thống sẽ xử lý và gửi tín hiệu điều khiển ba trục để lấy hàng và nhập vào vị trí được yêu cầu Sau đó, các trục sẽ trở về vị trí Home và bắt đầu chu kỳ nhập hàng cho kiện hàng tiếp theo Nếu vị trí mà người dùng nhập đã có hàng, hệ thống sẽ cảnh báo rằng ô hàng đã có hàng, và người dùng cần nhập lại một vị trí khác
Trong chế độ Export, hệ thống sẽ đợi người dùng nhập vào vị trí cần xuất hàng hoặc loại hàng cần xuất trong kho Sau khi nhập, hệ thống sẽ kiểm tra vị trí vừa nhập Nếu nhập loại hàng, hệ thống sẽ phân tích loại đó có những ô hàng nào, xử lý dữ liệu và cung cấp vị trí xuất hàng Nếu vị trí nhập có hàng, hệ thống sẽ xử lý và gửi tín hiệu điều khiển ba trục tới vị trí yêu cầu Khi đã đến vị trí mong muốn, các trục sẽ lấy hàng và đưa vào vị trí băng tải OUT Khi kiện hàng đã được đưa vào băng tải, hệ thống sẽ kiểm tra điều kiện và kích hoạt băng tải OUT để xuất hàng ra ngoài Sau đó, các trục sẽ quay về vị trí Home
Nếu tất cả hàng cùng loại đã được xuất hết, hệ thống sẽ cảnh báo hết hàng của loại đó Nếu vị trí nhập không có hàng, hệ thống sẽ cảnh báo ô hàng trống, và người dùng cần phải nhập lại một vị trí khác hoặc một loại khác để xuất hàng
3.6.3.5 Lưu đồ điều khiển chương trình con phân loại hàng hoá
Khi chương trình con được gọi, nó sẽ thu thập dữ liệu mã hàng từ việc quét mã QR code Sau đó, nó sẽ kiểm tra hai số đầu của mã để xác định loại hàng sản phẩm
Thiết kế giao diện quét mã QR và giám sát hệ thống Websever
Nhóm chọn mã QR vì đây là mã hiện đang rất thông dụng với các ưu thế hơn so với mã Barcode vì những lí do như khả năng lưu trữ thông tin với sức chứa trên 7000 ký tự, tốc độ đọc nhanh vì nó có thể lưu trữ thông tin theo cả hai chiều, khả năng đa dạng hoá, thân thiện với người dùng
Visual Studio là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) mạnh mẽ được phát triển bởi Microsoft Nó cung cấp một loạt các công cụ và tính năng hỗ trợ lập trình viên trong quá trình phát triển các loại ứng dụng khác nhau, từ ứng dụng desktop đến ứng dụng web, di động và game Visual Studio hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình, bao gồm C#, Visual Basic NET, C++, F#, Python và nhiều ngôn ngữ khác ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 71
Hình 3.47 Màn hình giao diện Visual Studio
3.8.3 Giao diện đọc mã QR sản phẩm
Nhóm đã sử dụng phần mềm Visual Studio để phát triển giao diện và xử lý đọc mã vạch sản phẩm cho hệ thống Dựa trên loại mã vạch đã chọn, nhóm đã tạo một giao diện kết nối với camera để quét ảnh và ghi lại mã vạch sản phẩm Trên giao diện sẽ có một khung
"picturebox" hiển thị hình ảnh từ camera Bên cạnh đó là một thanh "textbox" để hiển thị mã vạch sản phẩm sau khi được xử lý dưới dạng chuỗi
Ngoài ra, người dùng còn có thể chọn loại camera và bắt đầu hoặc dừng ghi ảnh bằng các nút "START" và "STOP" Dưới phần chọn camera sẽ có một vùng để nhập địa chỉ và kết nối với PLC thông qua các nút "CONNECT" và "DISCONNECT"."
Trong quá trình xử lý quét mã vạch và giải mã, nhóm sử dụng thư viện Aforge.NET và Zxing.NET được xây dựng sẵn để xử lý mã vạch bằng ngôn ngữ lập trình C# Tiếp theo, nhóm sử dụng thư viện S7.NET để kết nối giao diện với PLC để truyền và nhận dữ liệu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 72
Hình 3.48 Giao diện đọc mã QR sản phẩm
3.8.4 Xây dựng cơ sở dữ liệu với SQL, VBScript và Websever để lưu trữ và truy xuất thông tin
Tất cả thông tin về trạng thái của kho hàng, bao gồm số lượng hàng, vị trí lưu kho, ưu tiên xuất hàng của từng ô hàng, được lưu trữ trong PLC Tuy nhiên, trong trường hợp thiết bị gặp sự cố và không thể khôi phục dữ liệu, việc thống kê lại tình trạng kho hàng trở nên rất khó khăn Hơn nữa, do lượng dữ liệu thu thập được rất lớn, nên bộ nhớ của PLC không đủ để lưu trữ toàn bộ thông tin đó Để giải quyết vấn đề này, tất cả thông tin về kho hàng sẽ được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu SQL trên máy tính, cho phép sử dụng thông tin theo nhu cầu khác nhau của người sử dụng Bảng DATA: Lưu trữ thông tin của hệ thống bao gồm: thời gian, vị trí, mã code và trạng thái ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 73
Hình 3.49 Kiểu dữ liệu trong bảng DATA
Hình 3.50 Bảng cơ sở dữ liệu của DATA Bảng ALARM: lưu trữ thông tin cảnh báo của hê thống như: thời gian, ID, alarmclass, lỗi và giải pháp khắc phục lỗi
Hình 3.51 Kiểu dữ liệu trong bảng ALARM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 74
Hình 3.52 Bảng cơ sở dữ liệu của ALARM
Tất cả thông tin về trạng thái của kho hàng, bao gồm số lượng hàng, vị trí lưu kho, được lưu trữ trong PLC Ở đây, nhóm sử dụng VBScript để chuyển dữ liệu đó vào cơ sở dữ liệu Code của VBScript nhận dữ liệu cho bảng DATA của cơ sở dữ liệu
Hình 3.53 Code VBScript nhận dữ liệu cho bảng DATA Code của VBScript nhận dữ liệu cho bảng ALARM của cơ sở dữ liệu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 75
Hình 3 54 Code VBScript nhận dữ liệu cho bảng ALARM
Do mong muốn dữ liệu được cập nhật theo chu kì 1 phút/ 1 lần, nhóm đã dùng chức năng
“scheduled tasks” của phần mềm TIA portal Nhóm đã làm theo các bước như sau:
- Bước 1: Điều chỉnh thời gian cập nhật ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 76
Hình 3.55 Thiết lập thời gian cập nhật
- Bước 2: Bấm chọn tên VBScript muốn cập nhật ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 77
Hình 3.56 Lựa chọn VBScript cần điều chỉnh
Trang tổng quan Ở phần này sẽ mô tả tổng quan về đồ án bao gồm: Đặt vấn đề, lí do chọn đề tài, mục tiêu đề tài ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 78
Hình 3.57 Giao diện tổng quan của Websever
Trang dữ liệu xuất nhập kho Ở phần này sẽ bao gồm các thông tin như: thời gian, vị trí, mã code, trạng thái từ bảng cơ sở dữ liệu đã được tạo và đưa lên Websever
Hình 3.58 Giao diện dữ liệu xuất nhập kho của Websever
Trang dữ liệu lỗi hệ thống Ở phần này gồm các thông tin như: thời gian, ID, alarmclass, lỗi và giải pháp từ bảng cơ sở dữ liệu đã tạo và đưa lên Websever ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 79
Hình 3.59 Giao diện dữ liệu lỗi hệ thống lưu kho của Websever
Trang này có chức năng chọn vị trí sản phẩm cần tìm trong khoảng thời gian cụ thể mà họ mong muốn tìm kiếm Trang sẽ hiển thị tối đa mười sản phẩm, cho phép người dùng tìm kiếm sản phẩm nào đã được nhập hoặc xuất trong khoảng thời gian nhất định Người dùng nhập tên sản phẩm vào ô tìm kiếm, chọn khoảng thời gian và sau đó nhấn vào nút "Tìm kiếm" Kết quả sẽ trả về theo mong muốn, bao gồm tên sản phẩm, trạng thái nhập hoặc xuất, và thời gian tìm kiếm
Hình 3.60 Giao diện tìm kiếm của Websever ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 80
THI CÔNG, CHẾ TẠO
Thiết kế tủ điện
- Thiết kế tủ điện cần đạt được đúng yêu cầu để có thể hoạt động đúng cách
- Bố trí thiết bị và đi dây hợp lí để thuận tiện cho việc kiểm tra và bảo trì
- Tủ điện cần đáp ứng được các yêu cầu an toàn điện khi vận hành
4.4.2 Tủ điện sau khi thiết kế
Với tiêu chí tối ưu về mặt chi phí nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu trên, nhóm đã thiết kế và lắp đặt các thiết bị như sau ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 85
Hình 4.7 Tủ điện của hệ thống Bảng 11: Danh sách các thiết bị trong tủ điện
STT Tên thiết bị Mã thiết bị Số lượng
1 Tủ điện sơn tĩnh điện dày 1mm W500xH700xD210 1
5 Cầu chì sứ kèm đế RT18-32X 16A 1
7 TB6600 Microstep Driver TB6600 9-42VDC 3
8 Relay kiếng 24VDC MY2N DC24 3
10 Đầu chặn gắn ray ED/UK 13
11 Terminal tép gắn ray Terminal 46
12 Nút nhấn gắn ray LM-120 16A 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 86
Bảng 12: Danh sách các thiết bị trong tủ điện
13 Cụng tắc 2 vị trớ LA38 ỉ22 2
14 Nỳt nhấn nhả Schneider thường hở XB7NA31ỉ22 2
15 Nỳt nhấn nhả Schneider thường đúng XB7NA42 ỉ22 1
16 Đèn bỏo pha hiển thị điện ỏp 220V Đèn đỏ ỉ22 1
17 Nỳt nhấn dừng khẩn cấp MORELE ỉ22 1
18 Đèn bỏo pha 24VDC AD136-22CS ỉ22 3
Bảng 12: Bảng dùng ngõ vào DI PLC của các thiết bị
STT Thiết bị Số lượng Số chân ngõ vào DI
Bảng 13: Bảng dùng ngõ ra DO PLC của các thiết bị
STT Thiết bị Số lượng Số chân ngõ ra DO
1 Driver điều khiển động cơ bước 3 6
Hình 4.8 Sơ đồ kết nối các ngõ vào và ra của các thiết bị với PLC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 87
Hình 4.9 Sơ đồ kết nối mạch điều khiển động cơ của ba trục và động cơ băng tải
Hình 4.10 Sơ đồ kết nối giữa driver điều khiển với động cơ bước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 88
Hình 4.11 Tủ điện điều khiển khi đã được đấu nối hoàn chỉnh
Hình 4.12 Mặt trước tủ điện khi đã lắp xong các thiết bị ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 89
