Nghiên cứu, thiết kế và triển khai hệ thống lưu kho phân phối hàng tự Động

Nội dung chính của đồ án: Hệ thống lưu kho phân phối hàng tự động theo mã Barcode đã được lập trình sẵn vị trí ô và điều khiển, giám sát trên Webserver, các thông tin dữ liệu hàng sẽ đư

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Tổng quan

Trong thời đại của cuộc cách mạng Công nghiệp 4.0, Robot là một từ khóa không còn xa lạ trong thế giới hiện đại, đại diện cho sự tiến bộ về mặt công nghệ và đổi mới trong lĩnh vực tự động hóa Từ những cỗ máy đơn giản đến những hệ thống thông minh phức tạp, robot đã trở thành một phần không thể thiếu của cuộc sống hàng ngày và có ảnh hưởng sâu rộng đến nhiều lĩnh vực khác nhau

Robot ngày nay không chỉ xuất hiện trong các quy trình sản xuất công nghiệp mà còn mở rộng ảnh hưởng đến lĩnh vực y tế, giáo dục, nông nghiệp và thậm chí là trong cuộc sống gia đình Khả năng tự động hóa, khả năng thích ứng và trí tuệ nhân tạo ngày càng được tích hợp vào các robot, giúp chúng trở thành những đối tác hữu ích cho con người

Mặc dù sự phát triển của robot và trí tuệ nhân tạo cũng đặt ra nhiều thách thức và tranh cãi về mặt đạo đức, an ninh lao động và tác động lớn đến xã hội nhưng thật sự không thể phủ nhận những lợi ích mà robot mang lại đối với sự phát triển kinh tế và xã hội

Trong lĩnh vực Logistics và Quản lý chuỗi cung ứng, Công nghiệp 4.0 mang đến những bước tiến vượt bậc cho ngành quản lý kho hàng, với sự ra đời của các mô hình kho thông minh ứng dụng các công nghệ tiên tiến Vì thế, việc phát triển robot trong lĩnh vực này ngày càng được chú trọng và phát triển, nhằm giải quyết nhu cầu về nguồn nhân lực, cũng như tăng năng suất, tự động hóa trong lưu kho và quản lý hàng hóa

1.1.1 Tình hình phát triển trên thế giới hiện nay

Trên thế giới hiện nay, hệ thống lưu kho đang trải qua một giai đoạn phát triển mạnh mẽ, nhờ vào sự tiến bộ của công nghệ và sự gia tăng mạnh mẽ của thương mại điện tử Trên toàn cầu, thị trường trị giá 600 tỷ USD này dự kiến sẽ đạt 900 tỷ USD vào năm 2026 Riêng Bắc Mỹ là thị trường trị giá 200 tỷ USD được dự báo sẽ tăng trưởng trong những năm tới [13]

Việc ứng dụng công nghệ hiện đại đã giúp cải thiện hiệu quả và độ chính xác trong quản lý kho hàng, đồng thời giảm thiểu chi phí và thời gian vận hành Các xu hướng chính trong phát triển hệ thống lưu kho bao gồm tự động hóa, sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI), Internet of Things (IoT), và dữ liệu lớn (Big Data) [12]

Tự động hóa kho hàng là một xu hướng phát triển hiện nay, với việc áp dụng robot và xe dẫn hướng tự động (AGV) trong các hoạt động lưu kho Điều này giúp

2 giảm thiểu sự can thiệp của con người, tăng tốc độ và hiệu quả xử lý hàng hóa và giảm thiểu rủi ro tai nạn lao động

Trí tuệ nhân tạo và học máy đang được tích hợp vào các hệ thống quản lý kho hàng nhằm mục đích tối ưu hóa quy trình lưu kho, từ dự đoán nhu cầu hàng hóa đến tối ưu hóa không gian lưu trữ và quản lý hàng tồn kho AI cũng được sử dụng để phân tích dữ liệu và cung cấp thông tin chi tiết giúp doanh nghiệp đưa ra quyết định hiệu quả hơn trong vận hàng và phát triển doanh nghiệp

Dữ liệu lớn (Big Data) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích và quản lý thông tin kho hàng Bằng cách thu thập và phân tích khối lượng dữ liệu lớn từ các nguồn khác nhau, doanh nghiệp có thể tối ưu hóa quy trình vận hành, dự đoán xu hướng và nhu cầu của thị trường, cũng như cải thiện dịch vụ khách hàng

Internet of Things (IoT) đã mang lại khả năng giám sát và quản lý kho hàng theo thời gian thực Các thiết bị IoT như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, và thiết bị theo dõi vị trí giúp quản lý điều kiện lưu trữ hàng hóa và giảm thiểu hư hỏng [12]

Tóm lại, trước sự chạy đua về mặt công nghệ của nhiều nước trên thế giới, việc kết hợp các công nghệ tiên tiến này vào lĩnh vực Logistic đã và đang tiếp tục thay đổi cách thức quản lý và vận hành hệ thống lưu kho, mang lại hiệu quả cao hơn và đáp ứng tốt hơn nhu cầu trong nhiều lĩnh vực không chỉ Logistic mà còn ảnh hưởng đến nhiều lĩnh vực khác có liên quan trên thị trường toàn cầu

Hình 1.1 Các yếu tố cần thiết để triển khai một hệ thống lưu kho thông minh

1.1.2 Tình hình phát triển ở Việt Nam hiện nay Ở Việt Nam hiện nay, hệ thống lưu kho hiện đang trải qua giai đoạn phát triển nhanh chóng, phản ánh sự tăng trưởng mạnh mẽ của nền kinh tế Việt Nam và lĩnh vực thương mại điện tử

Với sự gia tăng của các hoạt động thương mại, nhu cầu về các dịch vụ Logistics và lưu kho hiện đại ngày càng trở nên cấp thiết Nhiều doanh nghiệp đã nhận thấy tầm quan trọng của việc nâng cao năng lực quản lý kho hàng để đáp ứng nhu cầu thị trường và tối ưu hóa chi phí

Một yếu tố thúc đẩy sự phát triển này là sự gia tăng của các nền tảng thương mại điện tử ở nước ta như Shopee, Lazada, và Tiki, tạo ra nhu cầu lớn về dịch vụ lưu kho và vận chuyển hàng hóa nhanh chóng Để đáp ứng nhu cầu này, các doanh nghiệp đã và đang đầu tư mạnh mẽ vào cơ sở hạ tầng kho bãi và ứng dụng các công nghệ tiên tiến như hệ thống quản lý kho (WMS), robot tự động và thiết bị IoT Những công nghệ này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả hoạt động mà còn cải thiện độ chính xác trong quản lý hàng tồn kho

Tuy nhiên, bên cạnh những tiến bộ, hệ thống lưu kho tại Việt Nam vẫn đối mặt với nhiều thách thức Cơ sở hạ tầng giao thông và logistics chưa đồng bộ và phát triển đầy đủ, dẫn đến khó khăn trong việc vận chuyển hàng hóa một cách hiệu quả

Đặt vấn đề

Trong bối cảnh nền kinh tế Việt Nam đang trên đà phát triển nhanh chóng, đặc biệt với sự bùng nổ của thương mại điện tử, nhu cầu về hệ thống lưu kho hiện đại và hiệu quả ngày càng trở nên cấp thiết Hệ thống lưu kho đóng vai trò then chốt trong

4 chuỗi cung ứng, không chỉ giúp doanh nghiệp lưu trữ và quản lý hàng hóa mà còn tối ưu hóa quy trình vận chuyển và phân phối

Tuy nhiên, hệ thống lưu kho tại Việt Nam hiện nay đang đối mặt với nhiều thách thức và hạn chế cần được giải quyết để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường

Một số hạn chế mà Việt Nam phải đối mặt trong việc phát triển hệ thống lưu kho như cơ sở hạ tầng Logistic chưa hoàn thiện, gây khó khăn trong việc vận chuyển lưu kho hàng hóa; Thiếu hụt nguồn nhân lực chất lượng cao, gây ảnh hưởng nhiều đến quản lý và vận hành lưu kho hàng hóa; Chi phí đầu tư ban đầu lớn, gây khó khăn cho nhiều doanh nghiệp, đặc biệt là các doanh nghiệp vừa và nhỏ; Việc quản lý và bảo mật thông tin chưa được chú trọng, có thể gây rủi ro về đánh cấp dữ liệu và tấn công mạng

Vậy, thế nào là một hệ thống lưu kho? Làm thế nào để triển khai một hệ thống lưu kho thông minh, đáp ứng các yêu cầu của doanh nghiệp?

“Nhà lưu kho nên được xem là nơi tạm thời để lưu trữ hàng tồn kho và là nơi đệm trong chuỗi cung ứng Nó đóng vai trò như một đơn vị tĩnh - chủ yếu - kết nối tính sẵn có của sản phẩm với nhu cầu của người tiêu dùng và do đó có mục đích chính là tạo điều kiện thuận lợi cho việc di chuyển hàng hóa từ nhà cung cấp đến khách hàng, đáp ứng nhu cầu một cách kịp thời và tiết kiệm chi phí” – Theo Van den Berg (2013).[9]

“Trước đây, kho hàng thường được coi là trung tâm chi phí và hiếm khi tạo thêm giá trị Sự dịch chuyển sản xuất sang Viễn Đông, sự phát triển của thương mại điện tử và nhu cầu ngày càng tăng của người tiêu dùng đã chứng kiến sự thay đổi từng bước trong hoạt động kho bãi Kho hiện được coi là một mắt xích quan trọng trong chuỗi cung ứng ngày nay.” [9]

Trên thực tế, như đã nêu trong một cuộc khảo sát gần đây của Motorola (2013):

“Ngày càng ít tổ chức tiếp tục coi kho hàng đơn giản là các liên kết hàng hóa giữa các điểm cuối của chuỗi cung ứng Kho hàng không còn là những “tệ nạn” cần thiết mà về cơ bản là trung tâm chi phí Sự chuyển đổi từ chuỗi cung ứng tuyến tính sang chuỗi cung ứng đa nút phức tạp nhận thấy sự thay đổi trong nhận thức này và đang được thúc đẩy bởi sự biến động lớn hơn, năng lực hạn chế, các quy định ngày càng phát triển, những thay đổi lớn về nhân khẩu học và mô hình mua hàng của khách hàng cũng như yêu cầu ngày càng khắt khe của khách hàng và nhà cung cấp Kho hàng ngày nay có thể thúc đẩy sự khác biệt mang tính cạnh tranh và bằng cách đó sẽ tăng tốc độ tăng trưởng lợi nhuận.” [9]

Như vậy, để phát triển ngành quản lý kho hàng nói riêng và lĩnh vực Logistics và Quản lý chuỗi cung ứng nói chung tại nước ta hiện nay, ngoài việc nâng cao chất

5 lượng nguồn nhân lực và cơ sở hạ tầng thì việc áp dụng các công nghệ tiên tiến cũng vô cùng quan trọng Nhất là việc sử dụng những máy móc, thiết bị, những robot vào quá trình tự động hóa trong lưu kho hàng hóa nhằm dễ dàng quản lý và kiểm soát kho hàng

Trong các cửa hàng tiện lợi nói riêng và cửa hàng bán lẻ nói chung, nơi có các kho hàng nhỏ, hẹp với yêu cầu lưu kho hàng hóa với số lượng lớn, nhưng vẫn đảm bảo về mặt diện tích, dễ dàng kiểm soát và quản lý giúp giảm thiểu sai sót do con người, tiết kiệm chi phí nhân công và nâng cao năng suất Để giải quyết vấn đề trên đòi hỏi phải áp dụng một mô hình lưu kho hàng hóa thông minh và sử dụng robot để vận chuyển hàng hóa một cách tự động nhằm tối ưu hóa không gian lưu kho, giảm sức lao động và dễ dàng quản lý kho hàng

Trong khuôn khổ của Khóa luận tốt nghiệp, với mong muốn nghiên cứu, thiết kế và phát triển một mô hình robot kết hợp với lưu kho thông minh để giải quyết vấn đề trên và góp phần cho sự phát triển của lưu kho hàng hóa nói riêng và lĩnh vực Quản lý chuỗi cung ứng nói chung Nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài

“Nghiên cứu, thiết kế và triển khai hệ thống lưu kho phân phối hàng tự động” Đây là một hệ thống lưu kho kết hợp giữa lưu kho thông minh và sử dụng robot trong quá trình vận chuyển hàng hóa nhằm tối ưu hóa hệ thống và nâng cao chất lượng trong quản lý kho hàng

Chúng em mong rằng những kết quả thu được từ quá trình nghiên cứu, thực hiện đề tài trong bài báo cáo này sẽ góp một phần nhỏ vào phát triển lĩnh vực Logistics và Quản lý chuỗi cung ứng của nước ta cũng như làm cơ sở cho việc phát triển những ý tưởng mới về Robot trong tương lai trong quản lý kho hàng và nhiều lĩnh vực khác.

Giới hạn và phạm vi nghiên cứu

• Tìm hiểu về hệ thống lưu kho thông minh kết hợp với robot vận chuyển hàng hóa lưu kho

• Thiết kế và chế tạo mô hình lưu kho kết hợp robot vận chuyển để hiểu hơn về kết cấu, nguyên lý hoạt động cũng như những ứng dụng và khả năng thực tiễn của hệ thống

• Xây dựng thuật toán điều khiển vị trí cho robot vận chuyển

• Thiết kế các bản vẽ 3D và bản vẽ 2D bằng phần mềm Solidworks và sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng chuyển động, tính toán và hoàn chỉnh thiết kế cơ khí cho hệ thống lưu kho

• Gia công, lắp ráp và xây dựng mô hình để triển khai thực nghiệm

• Xây dựng hệ thống quản lý, điều khiển và giám sát bằng Web Server, cơ sở dữ liệu và mã QR

• Nguyên lý áp dụng: Điều khiển và giám sát robot lưu kho thông qua Web Server để thao tác các hoạt động nhập kho và xuất kho theo mong muốn của người dùng cùng với xử lý cơ sở dữ liệu để quản lý lưu kho

Các thông số thiết kế hệ thống ban đầu như sau:

• Tốc độ tối đa của các trục: 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 0,5(𝑚/𝑠)

• Khối lượng tối đa của robot vận chuyển: 𝑚 𝑚𝑎𝑥 = 12(𝑘𝑔)

• Số lượng kệ hàng lưu trữ: 18 (kệ hàng)

• Công suất trung bình: Khoảng 25 giây (một lần nhập/xuất kho)

• Loại hàng lưu trữ: các loại hàng nước đóng chai/lon từ (250 - 500ml)

• Kích thước thùng hàng trung bình: 380 x 280 x 190 (mm)

• Số lượng thùng hàng lưu trữ tối thiểu: 18 (một thùng trên mỗi kệ hàng)

• Số lượng thùng hàng lưu trữ tối đa: tùy vào kích thước thùng hàng

Các nội dung thực hiện

Đề tài bao gồm các nội dung chính như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Thiết kế cơ cấu cơ khí

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển hệ thống

Chương 5: Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển

Chương 6: Thi công mô hình và điều khiển thực nghiệm

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về Hệ thống lưu kho phân phối hàng tự động

Hệ thống lưu kho phân phối hàng tự động (Automated Storage and Retrieval System - AS/RS) là giải pháp quản lý kho hiện đại ứng dụng các công nghệ tiên tiến như tự động hóa, robot, Internet vạn vật (IoT), dữ liệu lớn (Big Data) và trí tuệ nhân tạo (AI) để tối ưu hóa quy trình lưu trữ, phân phối và quản lý hàng hóa

Hình 2.1 Tổng quan về một hệ thống lưu kho thông minh

Hệ thống lưu kho phân phối hàng tự động có các đặc điểm nổi bật sau:

• Tự động hóa cao: Sử dụng robot, xe tự hành (AGV), hệ thống băng tải tự động và các thiết bị tự động khác để thực hiện các nhiệm vụ như di chuyển hàng hóa, sắp xếp, đóng gói, vận chuyển và kiểm tra chất lượng

• Hiệu quả cao: Tăng năng suất, giảm thiểu sức lao động và sai sót do con người, tiết kiệm chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả quản lý kho

• Độ chính xác cao: Hệ thống theo dõi và giám sát hàng hóa theo thời gian thực, đảm bảo độ chính xác trong việc xuất nhập kho và quản lý tồn kho

• Linh hoạt: Dễ dàng điều chỉnh hệ thống để đáp ứng nhu cầu thay đổi về quy mô sản xuất, kinh doanh và thị trường

• Tiết kiệm diện tích: Hệ thống lưu trữ hàng hóa thông minh giúp tối ưu hóa diện tích kho, tăng khả năng lưu trữ

Hệ thống lưu kho phân phối hàng tự động bao gồm các thành phần chính:

• Hệ thống quản lý kho (WMS): Phần mềm quản lý kho trung tâm, điều phối tất cả hoạt động trong kho như nhập kho, xuất kho, quản lý tồn kho, theo dõi vị trí hàng hóa,

• Robot và xe tự hành (AGV): Di chuyển hàng hóa trong kho, sắp xếp, đóng gói và vận chuyển hàng hóa theo yêu cầu

• Hệ thống băng tải tự động: Vận chuyển hàng hóa giữa các khu vực khác nhau trong kho

• Hệ thống lưu trữ hàng hóa tự động (AS/RS): Lưu trữ hàng hóa trên các giá kệ cao, tối ưu hóa diện tích kho

• Hệ thống thu thập dữ liệu: Thu thập dữ liệu về vị trí hàng hóa, nhiệt độ, độ ẩm, tình trạng hàng hóa

• Hệ thống phân tích dữ liệu: Phân tích dữ liệu để dự báo nhu cầu, tối ưu hóa quy trình kho, quản lý tồn kho hiệu quả

Sử dụng hệ thống lưu kho tự động mang lại nhiều lợi ích quan trọng, bao gồm:

• Nâng cao hiệu quả hoạt động: Tăng năng suất lao động, giảm thiểu sai sót, tiết kiệm chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả quản lý kho

• Tăng độ chính xác: Đảm bảo độ chính xác trong việc xuất nhập kho và quản lý tồn kho

• Cải thiện điều kiện làm việc: Giảm thiểu tai nạn lao động, nâng cao sức khỏe và an toàn cho người lao động

• Nâng cao khả năng cạnh tranh: Giúp doanh nghiệp nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường

Hình 2.2 Lợi ích của hệ thống lưu kho thông minh

Hệ thống lưu kho tự động có những ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau:

• Ngành hàng tiêu dùng: Thực phẩm, đồ uống, mỹ phẩm

• Ngành bán lẻ: Siêu thị, cửa hàng tiện lợi

• Ngành thương mại điện tử: Kho hàng cho các sàn thương mại điện tử

• Ngành sản xuất: Kho hàng cho các nhà máy sản xuất

• Ngành dược phẩm: Kho hàng cho các công ty dược phẩm

2.1.5 Xu hướng phát triển Để bắt kịp với xu hướng phát triển của Công nghiệp 4.0, việc áp dụng các tiến bộ khoa học, công nghệ vào các hệ thống lưu kho phân phối hàng tự động là rất cần thiết:

• Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI): Sử dụng AI để tối ưu hóa quy trình kho, dự báo nhu cầu, tự động hóa các quy trình trong chuỗi cung ứng

• Ứng dụng internet kết nối vạn vật (IoT): Kết nối tất cả các thiết bị trong kho để thu thập dữ liệu theo thời gian thực, nâng cao hiệu quả quản lý kho

Hình 2.3 Xu hướng phát triển IoT của các hệ thống lưu kho thông minh

• Hệ thống lưu trữ hàng hóa thông minh (Smart Warehouse): Ứng dụng các giải pháp lưu trữ hàng hóa thông minh để tối ưu hóa diện tích kho, tăng khả năng lưu trữ

• Hệ thống robot cộng tác: Sử dụng robot cộng tác để làm việc cùng con người, nâng cao hiệu quả và an toàn lao động

Hệ thống lưu kho phân phối hàng tự động là giải pháp quản lý kho hiện đại, mang lại nhiều lợi ích cho doanh nghiệp Tuy nhiên, mỗi doanh nghiệp, mỗi kho hàng thường có không gian, nhu cầu thực tế về lưu kho khác nhau Do đó, cần lựa chọn giải pháp phù hợp, tối ưu nhất nhằm nâng cao năng suất cũng như hiệu quả hoạt động của hệ thống Vì thế, việc nghiên cứu, thiết kế và xây dựng những mô hình lưu kho giúp tối ưu hóa hệ thống cho từng kho hàng ở những hoàn cảnh cụ thể là rất cần thiết.

Tổng quan về Casterian Robot

Robot Coordinate Casterian, còn được gọi là robot Descartes, là một loại robot công nghiệp sử dụng hệ thống tọa độ Descartes để di chuyển và định vị chính xác

Hệ thống này có ba trục điều khiển chính là tuyến tính (tức là chúng di chuyển theo đường thẳng chứ không phải quay), ba trục này vuông góc nhau (X, Y, Z) được điều khiển bởi động cơ servo hoặc động cơ bước Nhờ cấu trúc đơn giản và dễ dàng điều khiển, robot Casterian được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp sản xuất và lắp ráp

Hình 2.4 Cơ cấu của một Casterian Robot đơn giản

Robot Casterian có những ưu điểm nổi bật sau:

• Độ chính xác cao: Robot Casterian có thể di chuyển và định vị với độ chính xác cao nhờ hệ thống tọa độ Descartes và bộ điều khiển tiên tiến

• Cấu trúc đơn giản: Robot Casterian có cấu trúc đơn giản, dễ dàng lắp đặt và bảo trì

• Giá thành hợp lý: So với các loại robot khác, robot Casterian có giá thành tương đối hợp lý, phù hợp với nhiều doanh nghiệp

• Dễ dàng lập trình: Robot Casterian có thể được lập trình dễ dàng bằng các ngôn ngữ lập trình phổ biến, cho phép người dùng tạo ra các chương trình điều khiển robot phù hợp với nhu cầu cụ thể

Robot Casterian có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau:

• Lắp ráp: Robot Casterian được sử dụng rộng rãi trong các dây chuyền lắp ráp để lắp ráp các chi tiết sản phẩm một cách tự động và chính xác

• Tiện CNC: Robot Casterian được sử dụng trong các cơ cấu máy tiện CNC nhỏ

• In 3D: Robot Casterian được sử dụng trong các cơ cấu máy in 3D

• Cắt gọt: Robot Casterian được sử dụng để cắt gọt các vật liệu như kim loại, nhựa, gỗ, v.v với độ chính xác cao

• Kiểm tra: Robot Casterian được sử dụng để kiểm tra chất lượng sản phẩm một cách tự động và chính xác

• Sản xuất: Robot Casterian hiệu quả cho việc di chuyển theo chiều ngang và xếp chồng các thùng nên thường được sử dụng trong các dây chuyển sản xuất, vận chuyển và lưu kho hàng hóa

Kết luận: Robot Casterian là một loại robot công nghiệp đa năng và hiệu quả được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Với ưu điểm về độ chính xác cao, cấu trúc đơn giản, giá thành hợp lý và dễ dàng lập trình, robot Casterian là lựa chọn phù hợp loại máy móc, giúp tự động hóa các quy trình sản xuất và lắp ráp trong doanh nghiệp.

Thuật toán điều khiển PID

Thuật toán PID (Proportional - Integral - Derivative) là một trong những thuật toán điều khiển phổ biến và hiệu quả nhất được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động Thuật toán này hoạt động dựa trên nguyên tắc điều chỉnh tín hiệu điều khiển dựa trên ba thành phần:

+ Tín hiệu tỉ lệ (P): Phản hồi sai số hiện tại

+ Tín hiệu tích phân (I): Tích lũy các sai số trong quá khứ

+ Tín hiệu đạo hàm (D): Phản hồi tốc độ thay đổi của sai số

Với bộ điều khiển PID: [7]

𝐾 𝑃 , 𝐾 𝐼 , 𝐾 𝐷 : các tham số của bộ điều khiển PID

𝑒 : sai số giữa vị trí hiện tại và vị trí mong muốn

Hình 2.5 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID có các ưu điểm như sau:

• Đơn giản: Thuật toán PID dễ dàng hiểu và triển khai

• Hiệu quả: Thuật toán PID có thể điều khiển nhiều loại hệ thống khác nhau với độ chính xác cao

• Linh hoạt: Thuật toán PID có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi các hệ số Kp, Ki và Kd để phù hợp với từng hệ thống cụ thể

Bên cạnh các ưu điểm, bộ điều khiển PID cũng có các nhược điểm như sau:

• Nhạy cảm với nhiễu: Tín hiệu đạo hàm (D) nhạy cảm với nhiễu, do đó cần phải sử dụng các thuật toán lọc nhiễu như Anti Windup trước khi sử dụng

• Khó điều chỉnh: Việc điều chỉnh các thông số Kp, Ki và Kd để đạt được hiệu quả điều khiển tối ưu có thể phức tạp

Thuật toán PID được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như:

• Điều khiển động cơ: Điều khiển tốc độ, vị trí, mô-men của động cơ

• Điều khiển nhiệt độ: Điều khiển nhiệt độ lò nướng, nồi hơi, hệ thống sưởi ấm, v.v

• Điều khiển áp suất: Điều khiển áp suất trong nồi hơi, bình chứa khí nén, v.v

• Điều khiển lưu lượng: Điều khiển lưu lượng nước, khí, dầu, v.v

• Robot: Điều khiển vị trí, hướng của robot

Kết luận: Thuật toán PID là một công cụ mạnh mẽ và linh hoạt được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động Với ưu điểm về độ đơn giản, hiệu quả và linh hoạt, thuật toán PID là lựa chọn phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Giao thức truyền thông công nghiệp OPC

Open Platform Communications (OPC) là một tập hợp các tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật được sử dụng để kết nối các thiết bị tự động hóa công nghiệp với các ứng dụng phần mềm OPC giúp cho các ứng dụng phần mềm từ các nhà cung cấp khác nhau có thể giao tiếp và trao đổi dữ liệu với nhau một cách dễ dàng và hiệu quả, bất kể nền tảng phần cứng hay hệ điều hành nào [17]

Hình 2.6 Tổng quan sơ đồ khối của OPC DA

Giao thức OPC mang lại nhiều lợi ích như sau:

• Khả năng tương thích: OPC giúp cho các ứng dụng phần mềm từ các nhà cung cấp khác nhau có thể giao tiếp và trao đổi dữ liệu với nhau một cách dễ dàng

• Tính linh hoạt: OPC hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông khác nhau, cho phép kết nối với nhiều loại thiết bị tự động hóa khác nhau

• Hiệu suất: OPC cung cấp giao tiếp hiệu quả và đáng tin cậy giữa các ứng dụng phần mềm và thiết bị tự động hóa

• Dễ dàng sử dụng: OPC có giao diện lập trình đơn giản và dễ sử dụng, giúp các nhà phát triển phần mềm dễ dàng tích hợp OPC vào các ứng dụng của họ

Hiện nay, OPC có nhiều phiên bản khác nhau như OPC Classic, OPC DA, OPC HDA, OPC AE, OPC UA Hai phiên bản được sử dụng rộng rãi nhất gồm:

• OPC UA (Unified Architecture): Là phiên bản OPC mới nhất, được phát triển vào năm 2008 OPC UA là một kiến trúc hướng dịch vụ, cung cấp khả

15 năng giao tiếp an toàn và đáng tin cậy giữa các ứng dụng phần mềm và thiết bị tự động hóa OPC UA được xem là tương lai của OPC và được dự đoán sẽ thay thế các phiên bản OPC Classic trong tương lai [17]

• OPC DA (Data Access): Là một phiên bản mở rộng của OPC Classic, được phát triển vào năm 1996 OPC DA cung cấp khả năng truy cập dữ liệu thời gian thực từ các thiết bị tự động hóa OPC DA cho phép đọc ghi dữ liệu, giám sát dữ liệu theo thời gian thực của các quá trình vận hành Các OPC Client sẽ thiết lập các Group, các Item, các biến chỉ rõ biến đó sẽ đọc ghi, giám sát tín hiệu, dữ liệu nào từ OPC Server Một OPC Client sẽ kết nối với các OPC Client bằng cách thiết lập các OPC object, OPC Chanel, OPC Device, OPC groups, OPC Items

Hình 2.7 Phương thức kết nối và hoạt động của OPC DA

Kết luận: OPC là một giao thức truyền thông phổ biến trong ngành tự động hóa công nghiệp, đặc biệt là trong các hệ thống Scara OPC giúp cho các ứng dụng phần mềm khác nhau có thể giao tiếp và trao đổi dữ liệu với nhau một cách dễ dàng và hiệu quả, từ đó giúp nâng cao hiệu quả hoạt động và năng suất của các hệ thống tự động hóa.

Máy chủ Web (Web Server)

Máy chủ web (hay còn gọi là web server, máy chủ lưu trữ web) là phần mềm máy tính và phần cứng cơ bản chấp nhận các yêu cầu qua HTTP (giao thức mạng được tạo để phân phối nội dung web) hoặc biến thể bảo mật HTTPS của nó

Khi người dùng truy cập một trang web bằng trình duyệt web, trình duyệt sẽ gửi một yêu cầu đến máy chủ web tương ứng Máy chủ web sẽ xử lý yêu cầu này, tìm

16 kiếm các tập tin và dữ liệu cần thiết, sau đó gửi lại cho trình duyệt web để hiển thị cho người dùng

Hình 2.8 Tổng quan sơ đồ khối kết nối của Web Server

• Khả dụng: Máy chủ web giúp cho trang web của bạn có thể truy cập được 24/7 từ mọi nơi trên thế giới

• Hiệu suất: Máy chủ web có thể xử lý nhiều yêu cầu truy cập cùng lúc một cách nhanh chóng và hiệu quả

• Bảo mật: Máy chủ web có thể được bảo mật để bảo vệ trang web của bạn khỏi các truy cập trái phép và các cuộc tấn công mạng

• Khả năng mở rộng: Máy chủ web có thể được mở rộng để đáp ứng nhu cầu lưu lượng truy cập ngày càng tăng của trang web

Web Server có nhiều ứng dụng quan trọng trong việc nâng cao khả năng và hiệu quả của các hệ thống điều khiển, giám sát và quản lý từ xa:

1 Giám sát và điều khiển từ xa:

Web server cho phép người dùng giám sát và điều khiển hệ thống SCARA từ xa thông qua trình duyệt web

Giao diện web có thể hiển thị thông tin thời gian thực về trạng thái của robot, vị trí, tốc độ, cảm biến, v.v

Người dùng có thể điều khiển robot bằng cách gửi các lệnh thông qua giao diện web

17 Điều này giúp ích cho việc vận hành robot từ xa, đặc biệt là trong các môi trường nguy hiểm hoặc khó tiếp cận

2 Thu thập dữ liệu và phân tích:

Web server có thể được sử dụng để thu thập dữ liệu từ hệ thống, bao gồm dữ liệu về vị trí, tốc độ, lực, cảm biến, v.v Dữ liệu này có thể được lưu trữ và phân tích để theo dõi hiệu suất của robot, phát hiện các vấn đề tiềm ẩn và tối ưu hóa quy trình Việc phân tích dữ liệu có thể giúp cải thiện hiệu quả và độ chính xác của robot

3 Tích hợp với các hệ thống khác:

Web server có thể được sử dụng để tích hợp hệ thống như SCARA với các hệ thống khác, chẳng hạn như hệ thống ERP, MES hoặc hệ thống tự động hóa nhà máy Việc tích hợp này cho phép robot giao tiếp và trao đổi dữ liệu với các hệ thống khác, giúp tự động hóa các quy trình và nâng cao hiệu quả tổng thể của hệ thống

4 Cập nhật phần mềm và firmware:

Web server có thể được sử dụng để cập nhật phần mềm và firmware cho hệ thống từ xa Việc cập nhật phần mềm giúp cải thiện chức năng và hiệu suất của robot, đồng thời vá các lỗ hổng bảo mật Cập nhật firmware giúp nâng cấp phần cứng của robot và mở rộng khả năng của nó

5 Cung cấp giao diện người dùng:

Web server có thể được sử dụng để cung cấp giao diện người dùng cho hệ thống, giúp người dùng dễ dàng tương tác với robot và các chức năng khác như quản lý cơ sở dữ liệu, giám sát trực quan hệ thống từ xa qua các biểu đồ

Giao diện người dùng có thể bao gồm các chức năng như điều khiển robot, theo dõi trạng thái, cấu hình tham số, v.v

Việc sử dụng giao diện người dùng giúp đơn giản hóa quá trình vận hành và bảo trì robot

Kết luận: Web server có thể mang lại nhiều lợi ích cho các hệ thống yêu cầu điều khiển, giám sát và quản lý từ xa, giúp nâng cao khả năng giám sát, điều khiển, thu thập dữ liệu, tích hợp và bảo trì robot Việc lựa chọn web server phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa hiệu quả và hiệu suất của hệ thống, nhất là trong các hệ thống lưu kho thông minh

Cơ sở dữ liệu

Cơ sở dữ liệu (hay còn gọi là database, CSDL) là một tập hợp dữ liệu được tổ chức và lưu trữ một cách có hệ thống để dễ dàng truy cập, quản lý và sử dụng CSDL giúp lưu trữ và quản lý thông tin một cách hiệu quả, giúp tiết kiệm thời gian và công sức so với việc lưu trữ dữ liệu dưới dạng rời rạc

Hình 2.9 Tổng quan về Hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu

2.6.1 Thành phần cơ bản của CSDL

CSDL bao gồm các thành phần cơ bản sau:

• Dữ liệu: Là thông tin được lưu trữ trong CSDL, có thể ở dạng số, văn bản, hình ảnh, video, v.v

• Cấu trúc dữ liệu: Xác định cách thức tổ chức và sắp xếp dữ liệu trong CSDL, bao gồm bảng, trường, bản ghi, khóa chính, v.v

• Phần mềm quản lý CSDL (DBMS): Là phần mềm cung cấp các công cụ để tạo, truy cập, quản lý và sử dụng dữ liệu trong CSDL

• Ngôn ngữ truy vấn: Là ngôn ngữ được sử dụng để truy cập, thao tác và lấy dữ liệu từ CSDL Một số ngôn ngữ truy vấn phổ biến bao gồm SQL, NoSQL, v.v

Lợi ích của việc sử dụng CSDL gồm:

• Tổ chức dữ liệu: CSDL giúp tổ chức dữ liệu một cách có hệ thống, dễ dàng truy cập, quản lý và sử dụng

• Tính nhất quán dữ liệu: CSDL đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu, tránh trường hợp dữ liệu bị trùng lặp hoặc sai sót

• Chia sẻ dữ liệu: CSDL cho phép nhiều người truy cập và sử dụng dữ liệu cùng lúc

• Bảo mật dữ liệu: CSDL cung cấp các biện pháp bảo mật để bảo vệ dữ liệu khỏi truy cập trái phép

• Khả năng mở rộng: CSDL có thể được mở rộng để lưu trữ thêm dữ liệu khi cần thiết

Hình 2.10 Một số ứng dụng của Cơ sở dữ liệu

2.6.3 Một số hệ quản trị CSDL phổ biến

CSDL bao gồm một số hệ quản trị phổ biến như sau:

• MySQL: Là hệ quản trị CSDL mã nguồn mở phổ biến nhất, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng web

• Microsoft SQL Server: Là hệ quản trị CSDL thương mại phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong các doanh nghiệp lớn

• Oracle Database: Là hệ quản trị CSDL thương mại mạnh mẽ, được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao và tính sẵn sàng cao

• MongoDB: Là hệ quản trị CSDL NoSQL phổ biến, được sử dụng để lưu trữ dữ liệu phi cấu trúc như JSON

Kết luận: Cơ sở dữ liệu là một công cụ quan trọng giúp lưu trữ, quản lý và sử dụng dữ liệu một cách hiệu quả Trong các hệ thống lưu kho phân phối hàng tự

20 động, việc lưu trữ và quản lý thông tin là vô cùng cần thiết Vì thế, việc sử dụng các hệ quản trị cơ sở dữ liệu là vô cùng quan trọng

Việc lựa chọn hệ quản trị CSDL phù hợp sẽ giúp đáp ứng nhu cầu cụ thể của mỗi ứng dụng.

Mã QR Code

QR Code (viết tắt của Quick Response Code) hay còn gọi là mã vạch ma trận hoặc mã vạch 2 chiều là một dạng mã vạch có thể được quét bởi điện thoại thông minh hoặc máy quét mã vạch để truy cập thông tin được mã hóa bên trong Mã QR được tạo thành từ các ô vuông đen và trắng được sắp xếp theo một mẫu cụ thể Mẫu này có thể chứa một lượng lớn dữ liệu hơn so với mã vạch truyền thống, bao gồm văn bản, URL, hình ảnh, video, vị trí địa lý, thông tin liên hệ, v.v

Hình 2.11 Một mã QR cho trang web QR code của Wikipedia

2.7.1 Ưu điểm của mã QR

Mã QR code có một số ưu điểm nổi bật như sau:

• Lưu trữ nhiều thông tin: Mã QR có thể lưu trữ lượng dữ liệu lớn hơn nhiều so với mã vạch truyền thống

• Truy cập nhanh chóng: Mã QR có thể được quét và truy cập thông tin một cách nhanh chóng và dễ dàng bằng điện thoại thông minh hoặc máy quét mã vạch

• Dễ sử dụng: Việc tạo và quét mã QR rất đơn giản và không yêu cầu bất kỳ phần mềm đặc biệt nào

• Chi phí thấp: Việc tạo và sử dụng mã QR tương đối rẻ so với các phương pháp truyền thống khác để lưu trữ và truy cập thông tin

• Có thể tùy chỉnh: Mã QR có thể được tùy chỉnh với logo, màu sắc và thông tin khác để phù hợp với thương hiệu hoặc nhu cầu cụ thể của bạn

2.7.2 Ứng dụng của mã QR

Mã QR được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau như:

• Quảng cáo và tiếp thị: Mã QR có thể được sử dụng để quảng cáo sản phẩm, dịch vụ, trang web và phương tiện truyền thông xã hội

• Thanh toán: Mã QR có thể được sử dụng để thanh toán cho hàng hóa và dịch vụ

• Theo dõi hàng tồn kho: Mã QR có thể được sử dụng để theo dõi hàng tồn kho và quản lý chuỗi cung ứng

• Giáo dục: Mã QR có thể được sử dụng để cung cấp thông tin bổ sung cho học sinh và sinh viên

• Sự kiện: Mã QR có thể được sử dụng để cung cấp thông tin về các sự kiện, chẳng hạn như lịch trình, bản đồ và thông tin liên hệ

• Và nhiều hơn nữa: Mã QR có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, bao gồm chia sẻ thông tin liên hệ, truy cập menu, kích hoạt Wi-Fi…

Hình 2.12 Tổng quan một số ứng dụng của mã QR

THIẾT KẾ CƠ CẤU CƠ KHÍ

Các yêu cầu thiết kế hệ thống

Việc quản lý kho hàng hiệu quả là một thách thức lớn đối với các cửa hàng tiện lợi, đặc biệt là những cửa hàng có không gian kho hẹp Để giải quyết vấn đề trên, cần thiết kế một hệ thống lưu kho phân phối hàng tự động nhằm tối ưu hóa không gian lưu kho cũng như tự động hóa các quy trình kho hàng, từ đó tiết kiệm thời gian, nhân công và chi phí

3.1.1 Mô tả yêu cầu hệ thống

Hệ thống lưu kho phân phối hàng tự động cho cửa hàng tiện lợi với không gian kho hẹp bao gồm các thành phần chính sau:

• Giá kệ lưu trữ: Giá kệ được thiết kế để tối ưu hóa không gian lưu trữ, tận dụng tối đa chiều cao của kho hàng Hệ thống giá kệ có thể được tích hợp với các thiết bị vận chuyển tự động để di chuyển hàng hóa một cách hiệu quả

• Robot vận chuyển: Robot vận chuyển được sử dụng để di chuyển hàng hóa từ khu vực nhận hàng đến khu vực lưu trữ và từ khu vực lưu trữ đến khu vực xuất hàng Robot có thể hoạt động độc lập hoặc được điều khiển bởi hệ thống quản lý kho hàng (WMS)

• Hệ thống giám sát và quản lý kho hàng (WMS): WMS là phần mềm quản lý toàn bộ hoạt động trong kho hàng, bao gồm nhập hàng, xuất hàng, kiểm kê hàng hóa, theo dõi vị trí hàng hóa, v.v WMS được tích hợp với các thiết bị khác trong hệ thống để tự động hóa các quy trình kho hàng

• Cổng nhận hàng: Cổng nhận hàng được sử dụng để tiếp nhận hàng hóa từ nhà cung cấp thông qua hệ thống băng tải Hệ thống có thể tự động nhận diện và phân loại hàng hóa, sau đó chuyển hàng đến khu vực lưu trữ phù hợp

• Cổng xuất hàng: Cổng xuất hàng được sử dụng để xuất hàng hóa đến khu vực bán hàng thông qua hệ thống băng tải Hệ thống chuyển hàng đến vị trí xuất kho và nhân viên có thể lấy hàng giao cho khách hoặc sắp hàng lên các kệ bày bán

3.1.2 Lợi ích của hệ thống

Hệ thống lưu kho phân phối hàng tự động mang lại nhiều lợi ích cho cửa hàng tiện lợi, bao gồm:

• Tăng hiệu quả hoạt động: Hệ thống tự động hóa các quy trình kho hàng, giúp giảm thiểu sai sót và tăng tốc độ xử lý đơn hàng Tiết kiệm chi phí: Hệ thống giúp giảm thiểu nhu cầu về nhân công và chi phí vận hành kho hàng

• Tối ưu hóa không gian lưu trữ: Hệ thống giúp tối ưu hóa việc sử dụng không gian kho hàng, đặc biệt là đối với những cửa hàng có diện tích nhỏ

• Cải thiện độ chính xác: Hệ thống giúp giảm thiểu sai sót trong việc nhập hàng, xuất hàng và kiểm kê hàng hóa

• Nâng cao chất lượng dịch vụ: Hệ thống giúp đảm bảo hàng hóa được giao đến khách hàng một cách nhanh chóng và chính xác.

Yêu cầu và thông số kỹ thuật về cơ cấu cơ khí của hệ thống

3.2.1 Yều cầu kỹ thuật cơ khí

Việc thiết kế cơ khí phải đáp ứng một số yêu cầu kỹ thuật sau:

• Hệ thống phải đáp ứng được nhu cầu lưu trữ và phân phối hàng hóa của doanh nghiệp, bao gồm số lượng hàng hóa, chủng loại hàng hóa, kích thước hàng hóa, tần suất xuất nhập hàng, xuất hàng v.v

• Hệ thống phải hoạt động ổn định, tin cậy

• Hệ thống phải dễ dàng sử dụng, vận hành và bảo trì

• Hệ thống phải có tính an toàn cao, đảm bảo an toàn cho người và tài sản

• Hệ thống phải có khả năng mở rộng để đáp ứng nhu cầu phát triển của doanh nghiệp trong tương lai

3.2.2 Thông số kỹ thuật ban đầu

Thông số kỹ thuật bên dưới để thiết kế cho một hệ thống lưu kho nhỏ, nhằm triển khai và thực nghiệm, đảm bảo khả năng thực tiễn và hiệu quả

• Kích thước tổng thể kho hàng (Dài x Rộng x Cao): 3200x1500 x 2000 (mm)

• Khối lượng hàng hóa lưu trữ tối đa: 216 (Kg)

• Số loại hàng hóa lưu trữ: 6 loại

• Kích thước hàng hóa lưu trữ: 380x 280 x 190 (mm) (thùng hàng)

• Khối lượng tối đa của robot vận chuyển: 12kg

• Tốc độ di chuyển tối đa của robot : 0,5 m/s

• Công suất trung bình: khoảng 25 giây/lần nhập kho

Lưu ý: Yêu cầu kỹ thuật và thông số kỹ thuật cụ thể của hệ thống lưu kho phân phối hàng tự động cần được xác định dựa trên nhu cầu cụ thể của từng doanh nghiệp

Vì thế, các thống số trên là để triển khai thực nghiệm trong nghiên cứu để xác định tính thực tiễn và độ hiệu quả mà hệ thống mang lại, không áp dụng cho một cửa hàng nào cụ thể.

Phương án thiết kế

Thiết kế hệ thống lưu kho phân phối hàng tự động gồm cánh tay robot Arm 6 DOF với kệ chưa hàng được thiết kế vừa với kích thước các thùng hàng

Với phương án này, không gian kệ hàng được tối ưu hóa do độ chính xác của cánh tay robot khi để trực tiếp vào vị trí kệ chỉ định chứa thùng hàng Robot arm cũng có khả năng nâng tải trọng nặng, tốc độ nhanh giúp tăng năng suất Tuy nhiên, độ rộng của kệ hàng sẽ bị hạn chế do không gian làm việc hạn chế của robot arm nếu như cố định cánh tay lại một chổ, còn nếu di chuyển cánh tay thì sẽ khó khăn trong quá trình thiết kế và chi phí xây dựng hệ thống cao

Hình 3.1 Ảnh minh họa hệ thống lưu kho sử dụng robot arm Ưu điểm

+ Tối ưu hóa không gian từng kệ hàng, giúp chứa được nhiều hàng hơn + Độ chính xác cao, tốc độ nhanh do khả năng di chuyển linh hoạt của robot arm

+ Khả năng nâng tải trọng nặng, phù hợp với các thùng hàng có khối lượng lớn

+ Có thể lưu kho được nhiều loại hàng khác nhau và không cần pallet

+ Robot arm thường được đặt cố định, không có tính linh hoạt cao

+ Chi phí cao và cần được vận hành an toàn

+ Lập trình cho robot arm đòi hỏi am hiểu sâu về robot và lập trình

Thiết kế hệ thống lưu kho phân phối hàng tự động gồm một cơ cấu Casterian robot nâng hạ thùng hàng tương tự nguyên lý hoạt động của các xe nâng, kết hợp với loại kệ Drive In, một loại kệ chỉ chứa được đồng nhất một loại pallet duy nhất có cùng một kích thước

Với phương án này, không gian kệ hàng rộng rãi hơn do tính chất Casterian robot có thể di chuyển quãng đường xa theo trục X, Y, Z Tuy nhiên, phương án này yêu cầu phải sử dụng pallet và bị hạn chế về mặt loại hàng

Hình 3.2 Ảnh minh họa hệ thống lưu kho sử dụng cơ cấu robot tuyến tính Ưu điểm

+ Tối ưu hóa không gian kệ hàng theo chiều ngang

+ Kệ hàng sử sụng pallet giúp dễ dàng vận chuyển thùng hàng

+ Cơ cấu robot tuyến tính, dễ lập trình, bảo trì

+ Yêu cầu phải sử dụng pallet

+ Kệ hàng chỉ được sử dụng cho một loại pallet, yêu cầu sắp xếp thùng hàng hợp lý

+ Chưa có cơ cấu nhập, xuất hàng hiệu quả

Thiết kế hệ thống lưu kho phân phối hàng tự động gồm một cơ cấu Casterian robot (robot tuyến tính) nằm giữa, kết hợp với hai kệ hàng loại Drive In (một loại kệ chỉ chứa được đồng nhất một loại pallet duy nhất có cùng một kích thước) và hệ thống băng tải nhập, xuất hàng

Với phương án này, không gian kệ hàng được tối ưu hóa và tận dùng khả năng di chuyển theo trục XYZ của Casterian robot để thiết kế thêm một kệ hàng, tạo thành hai kệ hàng nằm hai bên robot Bên cạnh đó, hệ thống băng tải giúp đưa hàng nhập kho vào và xuất kho ra giúp tối ưu không gian hoạt động của robot cũng như giúp cho hệ thống được tự động hóa một cách hiệu quả nhất Tuy nhiên, do yêu cầu thiết kế ở một không gian hạn chế, nên không thể thiết kế hai cổng xuất và nhập kho riêng biệt, nên cùng một thời điểm, hệ thống chỉ có thể thực hiện một nhiệm vụ nhập hoặc xuất kho

Hình 3.3 Ảnh minh họa hệ thống lưu kho sử dụng hai kệ hàng và băng tải

+ Tối ưu hóa không gian kệ hàng, không gian hoạt động của robot khi thiết kế hai kệ hàng

+ Kệ hàng sử sụng pallet giúp dễ dàng vận chuyển thùng hàng

+ Cơ cấu robot tuyến tính, dễ lập trình, bảo trì

+ Cơ cấu băng tải, giúp dễ dàng nhập, xuất kho

+ Dễ dàng xây dựng hệ thống lưu kho tự động hóa trong nhập và xuất hàng + Có không gian bên ngoài cho robot tách ra khỏi không gian kệ hàng, giúp sửa chữa và bảo trì thuận tiện hơn

+ Yêu cầu phải sử dụng pallet

+ Kệ hàng chỉ được sử dụng cho một loại pallet, yêu cầu sắp xếp thùng hàng hợp lý

+ Chỉ có một băng tải, nên một thời điểm chỉ có thể nhập hoặc xuất hàng

3.3.4 So sánh các phương án

Bảng 3.1 So sánh các phương án thiết kế

Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3

Diện tích lưu kho lớn X Đa dạng loại hàng lưu kho X

An toàn trong vận hành X X

Phù hợp nhu cầu thực tế X

Hiệu quả hoạt động cao X X X

Vệ sinh và sửa chữa X X X

Bảo trì và nâng cấp X X X

Dựa theo nhu cầu thực tế bao gồm các khả năng lưu kho, tối ưu không gian, dễ vận hành, bảo trì, sửa chữa và khả năng nâng cấp Bảng so sánh trên cho thấy phương án 3 hiệu quả hơn trong các yêu cầu về thiết kế, dễ phát triển hệ thống tự động hóa và xây dựng hệ thống lưu kho thông minh Từ đó, nhóm quyết định chọn phương án 3.

Thiết kế cơ cấu Casterian Robot

Cartesian Robot là một cơ cấu truyền động tính tiến theo các trục X, Y, Z Trong kết cấu này, bàn máy (robot) sẽ dịch chuyển theo phương X, cơ cấu lấy hàng

28 sẽ dịch chuyển theo phương Y và cơ cấu nâng hạ hàng sẽ dịch chuyển theo phương

Hình 3.4 Quy ước phương tịnh tiến theo trục của Casterian robot

3.4.1.1 Cơ cấu truyền động cho Trục Y

Trục Y của hệ thống là một khối cơ cấu chuyển động đẩy rút, được thiết kế nhằm mục đích lấy và đưa hàng ra vào kho Để phục vụ vận hành kho hàng đôi có khả năng nhập và xuất hàng từ hai phía khác nhau, nhóm đã nghiên cứu và quyết định sử dụng cơ cấu đẩy rút telescopic, cơ cấu này hoạt động dựa trên nguyên tắc truyền động thanh răng, bánh răng và puly dây đai, với hành trình tương đối ngắn và tải trọng cần nâng là nhẹ, cho phép đưa hàng hóa vào vị trí chính giữa và di chuyển sang hai phía để nhập hoặc xuất hàng một cách hiệu quả

Hình 3.5 Cơ cấu đẩy rút Telescopic

Nguyên lý hoạt động: Vị trí 1 dùng để cố định, các vị trí 2 và 3 là thành phần chuyển động, trong đó vị trí 3 chuyển động tương đối với vị trí 2 Khi vị trí 2 chuyển động so với 1 một đoạn x thì vị trí 3 cũng chuyển động so với 2 một đoạn x, khi đó 3 có vị trí tương đối so với 1 là 2x

3.4.1.2 Cơ cấu truyền động cho Trục Z

Nhóm chọn cơ cấu truyền động vít me – đai ốc cho trục Z trong hệ thống lưu kho vì ưu điểm như ít gây trượt, vận hành êm ái, độ tin cậy cao và cơ cấu truyền động vít me giúp robot nâng hạ hàng hóa chính xác và ổn định thông qua con lăn Ngoài ra, vít me giảm moment lực của động cơ, tăng độ bền và giảm chi phí bảo trì, là lựa chọn lý tưởng cho việc nâng hạ hàng hóa chính xác và ổn định

Hình 3.6 Cơ cấu truyền động vitme

3.4.1.3 Cơ cấu truyền động cho Trục X

Cơ cấu truyền động của trục X của robot được cố định bằng hai thanh trục T10 thông qua bốn gối đỡ ở hai đầu thanh Động cơ tác động trực tiếp lên dây curoa, thông qua bộ truyền động đai giúp trục X di chuyển chính xác đến vị trí mong muốn Với khối lượng hàng chỉ khoảng 10kg, dây curoa vẫn đảm bảo hoạt động mượt mà trong suốt quá trình Mặc dù dây curoa có nhược điểm dễ bị giãn nở sau một thời gian sử dụng, nhóm em đã thiết kế thêm chốt để căng dây curoa khi bị giãn

Hình 3.7 Cơ cấu truyền động sử dụng dây coroa và thanh trượt

3.4.2 Tính toán, chọn động cơ cho cơ cấu Casterian robot

Ngoài việc chọn cơ cấu cho từng trục của robot thì việc động động cơ phù hợp cũng vô cùng quan trọng Chọn động cơ phù hợp giúp đảm bảo cho robot hoạt động chính xác, hiệu quả và vận hành ổn định trong thời gian dài

3.4.2.1 Tính toán, chọn động cơ cho cơ cấu trục Y (Cơ cấu đẩy rút)

Các thông số ban đầu:

+ Khối lượng thùng hàng: 10 (kg)

+Đường kính bánh đai dẫn: D (mm)

 𝑏𝑟 = 0,93: hiệu suất bộ truyền bánh răng

 𝑑 = 0,95: hiệu suất bộ truyền bánh đai Đối với mô hình hệ thống trong phạm vi đồ án, tải trọng trong trường hợp này là trọng lượng hàng hóa được giả sử do đó việc tính toán công suất động cơ ta đặt vào trường hợp tải trọng không đổi: t lv

P =P =  =  F v m g v (3.2) Với: m: Trọng lượng hàng hóa và bộ truyền động

𝑚 𝑦 : Trọng lượng bộ truyền động Y 𝑚 𝑦 = 3 (Kg)

𝑚 𝑥 : Trọng lượng hàng hóa giả sử 𝑚 𝑥 = 10 (Kg) g: Gia tốc trọng trường g = 9,8 (m/s²) v: Vận tốc (m/s) với v = 0,5 (m/s)

73,64( ) 0,865 t lv ct ch ch ch

* Số vòng quay của trục công tác:

* Chọn sơ bộ tỉ số truyền theo Bảng 2.4[1]

* Số vòng quay sơ bộ của động cơ:

477, 46 3.2 1528 sb lv sb n =n u =  = (vòng/phút) (3.6)

 Chọn động cơ AC Servo có công suất 200 W, số vòng quay 1600 vòng/phút

* Phân phối tỉ số truyền:

Chọn u = 4 và 𝑢 đ = 2 (để bộ truyền đai thang có kích thước nhỏ gọn)

Trong đó 𝑢 ℎ là tỉ số truyền trong hộp giảm tốc

Chọn đường kính bánh đai bị dẫn: D@mm do tỉ số truyền là 2

* Momen xoắn của trục động cơ trên thực tế:

3.4.2.2 Thiết kế, tính toán chọn động cơ cho cơ cấu trục Z (Cơ cấu nâng hạ)

Tính toán bộ truyền Vitme

* Các thông số ban đầu:

+ Khối lượng thùng hàng = 10 (kg)

+ Khối lượng cơ cấu trục Y = 3 (kg)

+ Tổng khối lượng cơ cấu = 19(Kg)

+ Tổng trọng lượng cơ cấu P = F= m.g = 19.9,8 = 186,2 (N)

+ Chiều dài trục chính:1950 (mm)

+ Vật liệu: Thép không gỉ

* Tính toán ứng suất và điều kiện của trục vít me

+ Đường kính trung bình của ren:

𝛹 𝐻 : Hệ số chiều cao đai ốc

𝛹 ℎ : Hệ số chiều cao ren

Do các vật liệu như đai ốc và vít là thép nên chọn [𝑞] = 8(Mpa) 𝛹 ℎ = 1, 2 Thay vào (3.10) ta có:

Kiểm nghiệm đồ bền theo thuyết bền 4:

T: Momen xoắn trên tiết diện nguy hiểm của vật

3 với 𝜎 𝑐ℎ là giới hạn chảy của vật liệu vít

𝑑 1 : Đường kính trong của ren vít me

Hình 3.8 Mô tả chi tiết ren của trục vitme

Diện tích nguy hiểm của vít me là momen ren diện tích nhận toàn bộ lực dọc trục 𝐹 𝑎 và momen xoắn (trong đó momen xoắn có giá trị lớn hơn 2 giá trị 𝑇 𝑟 (momen ren) và

𝑑 2 : Đường kính trung bình của ren vít me

* Các thông số của vít me

Với hệ số ma sát 𝑓 = 0.1 (thép) tính được góc ma sát: arctan(0,1) 5, 71

Với hệ số ma sát sát 𝑓 = 0.1 (thép) ta có:

Lấy T = 𝑇 𝑟 = 708,4 (N.mm) thay vào (3.12) ta được:

Với thép 45 có 𝜎 𝑐ℎ = 360 (Mpa), suy ra:

Kết luận: 𝜎 𝑡𝑑 ≤ [𝜎] nên điều kiện của trục vít me được đảm bảo

* Tính kiểm nghiệm về ổn định

+ Momen quán tính của tiết diện vít me J

+ Bán kính quán tính của tiết diện vít me:

+ Độ mềm  của vít me:

Trong đó: μ: hệ số chiều dài tương đương, xác định như sau: μ = 1 khi cả 2 đầu được vít cổ định bằng bản lề μ = 0.7 khi một đầu được vít, đầu kia bị ngàm (đai ốc tựa được coi như ngàm) à =0.5 khi cả 2 đầu bị vớt ngàm à = 2 khi một đầu bị vớt ngàm một đầu tự l: chiều dài của vít me (1950 mm)

Vì  >100 dùng công thức owle tính tải trọng giới hạn:

+ Kiểm nghiệm với độ bền cho vít me:

𝑆 0 : Hệ số an toàn về ổn định

[𝑆 0 ] =2,5 ….4: Hệ số an toàn ổn định cho phép

Kết luận: 𝑆 0 ≥ [𝑆 0 ] Điều kiện ổn định của vít me được đảm bảo

Kết luận: Thỏa điều kiện bền

+ Độ bền cắt và dập [3]:

Tính toán, chọn động cơ cho cơ cấu nâng hạ

+ Đường kính vít me: DB = 40 (mm)

+ Chọn động cơ nâng hạ tải

* Lực tác dụng lên trục:

* Công suất tương đương trên trục công tác:

Theo bảng 2.3 trong “Tính toán hệ thống dẫn động cơ khí - Tập 1”[4], đối với bộ truyền vít me hiệu suất của hệ thống  nằm trong khoảng 0,3 – 0,4 Chọn  = 0,35

Công suất cần thiết của động cơ, theo công thức [4]:

* Tốc độ quay của trục công tác:

Trong đó: p là bước ren trục vít

* Momen trên trục động cơ:

 Theo các thông số trên chọn động cơ có công suất P ≥ 270 W và có momen trục T ≥ 2117 N.mm

3.4.2.3 Tính toán, chọn động cơ cho cơ cấu trục X: (cơ cấu di chuyển)

Hình 3.9 Mô tả cơ cấu trục X

* Thông số cơ cấu trục X:

+ Tổng khối lượng dây đai và bàn máy: m = 30 (kg)

+ Đường kính bánh đai dẫn động: 𝐷 1 0mm

+ Hệ số ma sỏt của thanh trượt: à = 0,2

+ Ngoại lực F 𝐴 không đáng kể nên ta bỏ qua

* Tổng lực tác dụng lên thanh X:

* Hiệu suất truyền động: với  đ𝑎𝑖 = 0,95 và  𝑜𝑡𝑟𝑢𝑜𝑡 = 0.98, sử dụng 4 ổ trượt nên hiệu suất mũ 4, ta có:

* Số vòng quay của trục công tác:

* Chọn sơ bộ tỉ số truyền theo Bảng 2.4[1]

* Số vòng quay sơ bộ của động cơ:

637 3.2 2039( / ) sb lv sb n =n  =  = vòng phút (3.41)

 Chọn động cơ có công suất 500 W, số vòng quay 3000 vòng/phút

* Phân phối tỉ số truyền:

Vì u = 4,71 nên ta chọn 𝑢 đ = 2 (để bộ truyền đai thang có kích thước nhỏ gọn)

Trong đó: 𝑢 ℎ là tỉ số truyền trong hộp giảm tốc

Chọn đường kính bánh đai bị dẫn: 𝐷 2 = 60mm (do tỉ số truyền là 2)

* Momen xoắn của trục động cơ trên thực tế:

Tính toán, thiết kế hệ thống băng tải

Trong hệ thống lưu kho và phân phối hàng tự động, băng tải là hệ thống không thể thiếu trong quá trình vận chuyển hàng hóa xuất kho và nhập kho Để bảm bảo băng tải hoạt động tốt và hiệu quả, cần thiết kế và tính toán kích thước, cấu tạo băng tải sao cho phù hợp với hệ thống lưu kho

3.5.1 Yêu cầu thiết kế và thông số kỹ thuật

Trong hệ thống lưu kho và phân phối hàng tự động, băng tải có nhiệm vụ đưa hàng vào và lấy sản phẩm (xuất kho và nhập kho) kết hợp với cơ cấu đẩy rút để vận chuyển thùng hàng

+ Đường kính con lăn: 75 (mm)

Khung băng tải được làm từ sắt và dùng dây đai từ vật liệu PVC, tạo sự chắc chắn khi băng tải vận hành

Hình 3.10 Mẫu thiết kế hệ thống băng tải

3.5.2 Tính toán, chọn động cơ cho hệ thống băng tải

* Các thông số ban đầu:

Hình 3.11 Cơ cấu hệ thống băng tải

* Tổng lực tác dụng lên băng tải:

* Số vòng quay của trục công tác:

 Qua kết quả tính toán trên, ta chọn động cơ có công suất P ≥ 72,38(W), số vòng quay N ≥ 128 (vòng/phút) và momen T ≥ 5400(N.mm)

Thiết kế cơ khí của hệ thống

3.6.1 Thiết kế kệ hàng loại Drive in Để phù hợp với kho hàng có kích thước 3200×1500×2000mm, kệ hàng được thiết kế với 18 ô chứa pallet Khoảng cách mỗi ô là 460×450×450mm Kệ hàng làm từ sắt

Hình 3.12 Thiết kế kệ hàng Drive in

3.6.2 Thiết kế cơ cấu trục Y

Cơ cấu trục Y là một cơ cấu đẩy rút telescopic về cả 2 phía, có nhiệm vụ nhận hàng (pallet) từ băng tải và đưa hàng vào kệ

Hình 3.13 Thiết kế cơ cấu trục Y

3.6.3 Thiết kế cơ cấu trục Z

Cơ cấu trục Z là một cơ cấu nâng hạ theo phương thẳng đứng, kết hợp với cơ cấu trục X, giúp di chuyển đến vị trí nhận hàng và đến các ô kệ hàng

Hình 3.14 Thiết kế cơ cấu trục Z

3.6.4 Thiết kế cơ cấu trục X

Cơ cấu trục X là một cơ cấu di chuyển theo phương ngang kết hợp với cơ cấu trục Z, giúp di chuyển đến vị trí nhận hàng và đến các ô kệ hàng

Hình 3.15 Thiết kế cơ cấu trục X

3.6.5 Thiết kế cơ cấu băng tải

Băng tải được dùng trong xuất và nhập kho được thiết kế với kích thước sau: + Kích thước băng tải: 2000×430×420mm

+ Kích thước con lăn: Dài 480mm, đường kính con lăn 75 mm

Hình 3.16 Thiết kế băng tải

3.6.6 Tổng quan thiết kế hệ thống

Hình 3.17 Tổng quan thiết kế của hệ thống lưu kho phân phối hàng tự động

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

Yêu cầu thiết kế

Trong thiết kế hệ thống lưu kho và phân phối hàng tự động, bộ điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc vận hành hệ thống AS/RS Nó có chức năng giám sát, điều khiển và phối hợp hoạt động của tất cả các thiết bị trong hệ thống, đảm bảo hệ thống hoạt động trơn tru, hiệu quả và an toàn

Bộ điều khiển hệ thống AS/RS cần đáp ứng các yêu cầu sau:

• Khả năng xử lý thông tin: Hệ thống cần có khả năng thu thập và xử lý dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau như cảm biến, mã vạch, CSDL, v.v

• Khả năng ra quyết định: Dựa trên thông tin thu thập được, bộ điều khiển cần có khả năng đưa ra quyết định điều khiển phù hợp cho từng tình huống cụ thể, ví dụ như điều khiển robot di chuyển đến vị trí lấy hàng, băng chuyền vận chuyển hàng, v.v

• Khả năng giao tiếp: Bộ điều khiển cần có khả năng giao tiếp với các thiết bị khác trong hệ thống thông qua mạng lưới kết nối, đảm bảo trao đổi thông tin và điều khiển hiệu quả

• Khả năng giám sát: Hệ thống cần có khả năng giám sát hoạt động của tất cả các thiết bị trong thời gian thực, phát hiện và cảnh báo các sự cố kịp thời

• Khả năng mở rộng: Hệ thống cần có khả năng mở rộng để đáp ứng nhu cầu phát triển trong tương lai, ví dụ như bổ sung thêm thiết bị, mở rộng kho hàng, v.v

• Tính an toàn: Hệ thống cần đảm bảo an toàn cho người vận hành và hàng hóa trong quá trình hoạt động.

Giải pháp thiết kế

Hệ thống AS/RS có thể được chia thành 6 khối chính như sau:

• Khối Nguồn: có chức năng cung cấp nguồn điện cho toàn bộ hệ thống

• Khối điều khiển: Sử dụng PLC (Bộ điều khiển logic có thể lập trình) PLC là giải pháp phổ biến nhất để điều khiển hệ thống AS/RS PLC có khả năng xử lý thông tin nhanh chóng, dễ lập trình và có độ tin cậy cao

• Khối cơ cấu chấp hành: Gồm các động cơ điều khiển robot và hệ thống băng tải

• Khối cảm biến: gồm các cảm biến được lặp đặt trong hệ thống

• Khối camera: Gồm các camera có chức năng quét mã QR, giám sát

• Khối máy chủ: Sử dụng Mini PC làm máy chủ cho toàn bộ hệ thống và cả Web Server Đây là một loại máy tính có kích thước nhỏ gọn, có thể được sử dụng để làm máy chủ cho hệ thống

Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống lưu kho và phân phối hàng tự động

Lựa chọn phần cứng hệ thống và một số thiết bị khác trong từng khối

MCB NXB-63 là Aptomat MCB dòng NXB, cỡ 63A do hãng Chint sản xuất Aptomat MCB là thiết bị điện đóng cắt tự động, được sử dụng để bảo vệ mạch điện khỏi các sự cố quá tải và ngắn mạch Có tính linh hoạt và khả năng xử lý dòng điện mạnh mẽ với 2 cực cắt (2P) và dòng định mức lên đến 20A tại điện áp định mức 240/415V

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của MCB NXB-63 Điện áp định mức 220V AC hoặc 380V AC

Khả năng cắt ngắn mạch 6kA

Nguồn tổ ong 24V-10A là một bộ chuyển đổi điện áp AC (220V) sang điện áp

DC (24V) với cường độ dòng điện tối đa là 10A

Nó được thiết kế theo dạng hình hộp chữ nhật, nhỏ gọn, với vỏ ngoài bằng kim loại được đục lỗ như hình dạng tổ ong Với thiết kế vỏ ngoài kim loại này nhằm mục đích tản nhiệt tốt nhất có thể, để nâng cao tuổi thọ của bộ nguồn

Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật cơ bản Nguồn tổ ong 24V-10A Điện áp vào 110V - 220V AC – 50Hz/60Hz Điện áp ra 24V DC

Dòng điện định mức 10A Dòng điện tối đa 12A Nhiệt độ hoạt động: -10°C ~ 40°C

Với mục đích giảm chi phí cùng với yêu cầu phát hiện đối tượng với thời gian phản hồi nhanh và ổn định, nhóm sử dụng cảm biến quang và công tắc hành trình loại nhỏ cho mô hình

1 Cảm biến quang E3F-DS30C4 DC NPN

Cảm biến quang E3F-DS30C4_3 dây DC NPN là một thiết bị điện tử được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của vật thể Nó hoạt động bằng cách sử dụng tia sáng hồng ngoại để dò tìm vật thể Khi tia sáng hồng ngoại bị vật thể chặn lại, cảm biến sẽ phát ra tín hiệu điện báo hiệu sự hiện diện của vật thể

Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật cơ bản Cảm biến quang E3F-DS30C4

Loại cảm biến Cảm biến quang hồng ngoại Điện áp cung cấp 6V - 36V DC

Dòng điện tiêu thụ 10mA

Khoảng cách phát hiện 0-30cm

Số dây tín hiệu 3 dây

Góc khuếch tán (góc chiếu) 3-5 độ

Chức năng bảo vệ Bảo vệ đảo cực, ngắn mạch

Vật liệu vỏ Nhựa ABS

Hình 4.4 Cảm biến quang E3F-DS30C4 DC NPN

2 Công tắc hành trình KW11 5A-250V

Công tắc hành trình KW11 5A-250V là một thiết bị điện được sử dụng để phát hiện vị trí hoặc chuyển động của một vật thể Nó hoạt động bằng cách sử dụng cơ cấu cơ học để đóng hoặc ngắt các điểm tiếp xúc điện khi vật thể di chuyển đến vị trí nhất định Công tắc hành trình KW11 5A-250V được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng

47 công nghiệp và tự động hóa để điều khiển các thiết bị khác như động cơ, van, băng tải, v.v

Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật cơ bản Công tắc hành trình KW11 5A-250V Điện áp định mức 250V AC

Loại tiếp điểm COM-NO-NC

Tuổi thọ cơ học 100.000 lần đóng ngắt

Hình 4.5 Công tắc hành trình KW11 5A-250V

4.3.3 Khối cơ cấu chấp hành

Trong khối cơ cấu chấp hành bao gồm các động cơ cho cơ cấu Casterian robot và vận hành hệ thống băng tải

1 Khối động cơ AC Servo Panasonic A5 200W và Driver

AC Servo là một loại động cơ servo sử dụng nguồn điện xoay chiều (AC) để hoạt động Nó bao gồm một động cơ điện xoay chiều (AC) và bộ điều khiển servo, giúp điều khiển vị trí, tốc độ và mô-men xoắn của động cơ với độ chính xác cao Ưu điểm:

• Hiệu suất cao: AC Servo có hiệu suất cao hơn so với servo DC, tiết kiệm điện năng

• Độ bền cao: AC Servo có độ bền cao, tuổi thọ sử dụng lâu dài

• Chống nhiễu tốt: AC Servo có khả năng chống nhiễu điện từ tốt hơn so với servo DC

• Kích thước nhỏ gọn: AC Servo có kích thước nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt

AC Servo Panasonic A5 200W là một loại động cơ servo AC được sản xuất bởi Panasonic, Nhật Bản Nó được sử dụng để điều khiển vị trí, tốc độ và mô-men xoắn của trục động cơ với độ chính xác cao AC Servo Panasonic A5 200W được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp tự động hóa

Bảng 4.5 Thông số kỹ thuật cơ bản của AC Servo Panasonic A5

Nguồn cấp thiết bị 200V-240V AC, 50Hz/60Hz

Tốc độ quay 3000 rpm ~ 5000 rpm

Loại động cơ AC Servo

Kiểu trục D trục Đường kính trục 10 mm

Mức độ bảo vệ IP65

Kích thước 110mm x 110mm x 60mm

Hình 4.7 Driver AC Servo Panasonic A5 200W

2 Động Cơ Giảm Tốc DC JGB37-545 24VDC Động cơ giảm tốc DC JGB37-545 24VDC là một loại động cơ điện tử được sử dụng để chuyển đổi điện năng thành năng lượng cơ học, đồng thời giảm tốc độ quay của động cơ Nó bao gồm một động cơ DC và hộp số giảm tốc, giúp giảm tốc độ quay của động cơ xuống mức mong muốn Động cơ này được sử dụng trong vận hành băng tải Ưu điểm:

• Sản phẩm có thiết kế nhỏ gọn, do đó không chiếm quá nhiều diện tích khi sử dụng

• Cấu tạo của thiết bị đơn giản, dễ lắp đặt và dễ vận hành khi sử dụng

• Khối lượng thiết bị nhỏ, dễ dàng di chuyển khi cần thiết

• Chống giật điện nên rất an toàn

Bảng 4.6 Thông số kỹ thuật cơ bản của Động Cơ Giảm Tốc DC JGB37-545 Điện áp định mức 24 VDC

Tốc độ quay động cơ

Kiểu trục D trục Đường kính trục 6 mm

Kích thước 80mm x 80mm x 40mm

Hình 4.8 Động Cơ Giảm Tốc DC JGB37-545 24VDC

Trong hệ thống lưu kho phân phối hàng tự động được thiết kế với 11 Input và

3 channels để tạo xung PTO tốc độ cao, 2 chân Ouput để điểu khiển động cơ băng tải

Vì vậy PLC để áp dụng cho hệ thống này là PLC MITSUBISHI FX5UC 32MT/D PLC Mitsubishi là một trong các dòng PLC đang được dùng phổ biến nhất trên thế giới và Việt Nam

So với bộ điều khiển cũng phổ biến không kém như PLC Siemens, PLC Omron,… thì PLC hãng Mitsubishi lại rất được ưa chuộng sử dụng nhiều trong công nghiệp tự động hóa dây chuyền sản xuất, các robot lắp ráp sản phẩm,…vì PLC Mitsubishi có ưu điểm lớn về giá thành, chất lượng sản phẩm và khả năng đáp ứng đa dạng các cấu hình yêu cầu các tính năng như: Giao tiếp truyền thông, ngõ vào ra tương tự, bộ đếm ngõ vào tốc độ cao, ngõ ra phát xung tốc độ cao, các module đọc nhiệt độ,v.v

PLC MITSUBISHI FX5UC 32MT/D thuộc FX5U series là loại modul mới nhất so với các loại modul củ FX1N, FX3U, FX3G gồm 32 điểm I/O với 16 điểm đầu vào và 16 điểm đầu ra Thiết bị FX5UC-32MT/D Mitsubishi có tính bảo mật cao, đảm bảo an toàn cho các dữ liệu nhờ chức năng bảo mật Ưu điểm của PLC MITSUBISHI FX5UC 32MT/D:

• Dễ sử dụng: PLC Mitsubishi FX5UC 32MT/D có giao diện lập trình đơn giản, dễ sử dụng cho cả người mới bắt đầu

• Hiệu suất cao: PLC Mitsubishi FX5UC 32MT/D có tốc độ xử lý nhanh, độ chính xác cao và độ tin cậy cao

• Nhiều tính năng: PLC Mitsubishi FX5UC 32MT/D hỗ trợ nhiều tính năng như truyền thông, PID, định thời, v.v

• Khả năng mở rộng: PLC Mitsubishi FX5UC 32MT/D có thể được mở rộng thêm số lượng I/O bằng cách sử dụng các module mở rộng

Bảng 4.7 Thông số kỹ thuật cơ bản của PLC MITSUBISHI FX5UC 32MT/D Điện áp nguồn 24V DC

Số điểm I/O 32 điểm (16 đầu vào, 16 đầu ra)

Loại đầu vào Transistor NPN/PNP

Loại đầu ra Transistor NPN/PNP

Giao tiếp RS232C, RS485, Ethernet

Kích thước 90mm x 70mm x 25mm

Hãng sản xuất Mitsubishi Electric

Hình 4.9 PLC Mitsubishi FX5UC 32MT/D

Camera là một thiết bị thông thể thiếu trong các cơ quan, nhà máy, xí nghiệp dung để giám sát hoạt động Ví dụ giám sát các giai đoạn sản xuất tự động với mục đích phân loại và đo lường sản phẩm, kiểm tra sản phẩm tự động, điều hướng robot, quét mã vạch, … mà không cần tiếp xúc

Industrial camera là một loại camera đặc biệt được sản xuất để làm việc trong các điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ cao, áp suất và rung động) Chúng được sử dụng để theo dõi các sản phẩm trên băng tải, phát hiện các lỗi siêu nhỏ, … Do đó, nhìn chung, phạm vi của chúng gần như vô hạn

Trong hệ thống lưu kho phân phối hàng tự động được thiết kế, CAMERA BASLER a2A2840-14gmUV là một loại camera phù hợp cho chức năng quét mã

QR Code và giám sát, kiểm tra lưu kho

Bảng 4.8 Thông số kỹ thuật cơ bản của Camera Basler a2A2840-14gmUV

Cảm biến Sony IMX487-AAMJ-C Độ phân giải 8.1 MP

Kớch thước điểm ảnh 2.74 àm x 2.74 àm Độ nhạy 2.0 V/lux

Kích thước 48.9 mm x 29 mm x 29 mm

4.3.6 Khối máy chủ Để vận hành tốt hệ thống lưu kho và phân phối hàng tự động đòi hỏi phải có một phần cứng máy chủ đủ tốt để đảm bảo vấn đề trương tác với bộ điều khiển (PLC), quản lý cơ sở dữ liệu và vận hành Web Server

Máy chủ Intel NUC (Next Unit of Computing) đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống lưu kho và phân phối hàng tự động nhờ kích thước nhỏ gọn, hiệu suất mạnh mẽ và giá cả hợp lý

• Kích thước nhỏ gọn: Máy chủ Intel NUC có kích thước nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt và triển khai trong các không gian chật hẹp

• Tiết kiệm điện: Máy chủ Intel NUC tiêu thụ ít điện năng hơn so với các loại máy chủ truyền thống khác

• Độ ồn thấp: Máy chủ Intel NUC hoạt động êm ái, không gây tiếng ồn lớn

• Độ tin cậy cao: Máy chủ Intel NUC được sản xuất bởi Intel, một thương hiệu uy tín trong ngành công nghiệp máy tính

Xây dựng sơ đồ khối kết nối hệ thống điện

Hình 4.12 Sơ đồ khối kết nối hệ thống điện

Hình 4.13 Bản vẽ tủ điện

Động lực học Casterian robot

Phương trình động lực học mô tả chuyển động của một hệ thống cơ học dưới tác động của các lực Công thức cơ bản của động lực học được biểu diễn bởi phương trình sau:

M: Khối lượng hiệu quả của hệ thống q: Tọa độ vị trí của hệ thống

𝑞̇: Vận tốc của hệ thống

𝑞̈: Gia tốc của hệ thống

V (q, q̇): Thế năng của hệ thống phụ thuộc vào vị trí q và vận tốc q̇

G(q): Lực cản của hệ thống τ: Lực tác dụng lên hệ thống

Hình 4.14 Hệ quy chiếu Casterian robot

Dựa vào phương trình động lực học trên, theo Th S Nguyễn Tấn Phúc [8], động lực học của Casterian robot được mô tả như sau:

P: Thế năng (J) m: Khối lượng (kg)

𝑥̇, 𝑦̇, 𝑧̇: Tốc độ theo các trục x, y, z (m/s) g: Gia tốc rơi tự do (𝑔 = 9.8 (𝑚/𝑠 2 ))

* Động năng của khớp chuyển động theo từng trục:

* Thế năng của khớp chuyển động theo từng trục lần lượt theo x, y, z:

* Tổng năng lượng của robot Đặt L=(K 1 +K 2 +K 3 )−(P 1 +P 2 +P 3 )

Từ (4.10), suy ra phương trình động lực học của Casterian Robot như sau:

Thuật toán điều khiển Casterian robot

Để điều khiển cơ cấu Casterian robot, một cơ cấu 3 bậc tự do thì cần phải có một thuật toán điều khiển dựa trên động lực học của robot Bộ điều khiển PID là một lựa chọn phù hợp để điều khiển các cơ cấu robot

Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một bộ điều khiển phản hồi thường được sử dụng để điều khiển các hệ thống chuyển động Bộ điều khiển PID có thể được sử dụng để điều khiển robot Casterian bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của các động cơ để đạt được vị trí và hướng mong muốn

Công thức bộ điều khiển PID: [7]

𝐾 𝑃 , 𝐾 𝐼 , 𝐾 𝐷 : các tham số của bộ điều khiển PID

𝑒 : sai số giữa vị trí hiện tại và vị trí mong muốn

Hình 4.15 Sơ đồ khối thuật toán PID

4.7 Mô phỏng và phân tích chuyển động robot

Dựa vào các yêu cầu về điều khiển robot, áp dụng vào vào việc mô phỏng chuyển động để tìm được các thông số PID đánh giá hiệu quả hoạt động của thuật toán cũng như mô phỏng các kịch bản cần lường trước để tránh xảy ra hư hỏng…

Trong mô phỏng chuyển động này, chọn ngẫu nhiên 3 điểm bất kỳ để mô phỏng quỹ đạo chuyển động của robot với vận tốc mô phỏng 0,15(m/s), bao gồm

T2_02(1.15, 0.3, 0.45) và kệ T3_03 (1.65, 0.3, 0.9) và T2_01(0.65, 0.3, 0.45), đơn vị

Hình 4.16 Tổng quan một bên kệ hàng gồm ba khu vực

Mô phỏng và phân tích chuyển động robot

4.7.1 Mô phỏng điều khiển vị trí khi chạy không tải

Với khối lượng các cơ cấu trục 𝑚 1 = 10𝑘𝑔, 𝑚 2 = 3𝑘𝑔 và 𝑚 3 = 6𝑘𝑔 ta có quỹ đạo ba trục mô phỏng như sau:

Hình 4.17 Đồ thị mô phỏng quỹ đạo di chuyển 3 trục khi không tải

Các điểm được mô phỏng với tọa độ theo trục (đơn vị mét) như sau:

+ Các điểm thuộc trục X bao gồm: C (1.15, 0, 0), G (1.65, 0, 0), K (0.65, 0, 0) + Các điểm thuộc trục Y bao gồm: A (0, 0.3, 0), D (0, 0.3, 0), E (0, 0.3, 0), H (0, 0.3,

+ Các điểm thuộc trục Z bao gồm: B (0, 0, 0.45), F (0, 0, 0.9), J (0, 0, 0.45)

Giải thích: Trong đồ thị này robot di chuyển đến 3 kệ chứa hàng và bỏ hàng là T2_02, T3_03 và T2_01, các bước di chuyển theo điểm như sau:

+ A: Trục Y di chuyển đến băng tải để lấy hàng

+ B và C: Sau khi trục Y lấy hàng, Trục Z (đến điểm B) và trục X (đến điểm C) di chuyển đồng thời đến kệ chứa hàng đầu tiên (T2_02)

+ D: Khi trục X, Z di chuyển đến vị trí kệ hàng, trục Y đi ra để đưa hàng vào kệ + Quy trình lặp lại tương tự với kệ hàng T3_03 tại các điểm E, F, G, H và T2_01 tại các điểm I, J, K, L

* Đối với cơ cấu trục X:

Trong giai đoạn di chuyển của trục X bao gồm ba vị trí C, G và K Qua đó, có thể so sánh quỹ đạo mô phỏng di chuyển trục X so với quỹ đạo mong muốn (reference) Đồ thị phóng to sai số tại các điểm như sau:

Hình 4.18 Mô phỏng quỹ đạo trục X tại các điểm khi chạy không tải

* Đối với cơ cấu trục Z:

Trong giai đoạn di chuyển của trục Z bao gồm ba vị trí B, F và J Đồ thị phóng to sai số tại các điểm như sau: Điểm B (0, 0, 0.45) Điểm F (0, 0, 0.9)

Hình 4.19 Mô phỏng quỹ đạo trục Z tại các điểm khi chạy không tải

* Đối với cơ cấu trục Y:

Trong giai đoạn di chuyển của trục Y bao gồm các vị trí A, D, E, H, I và L Đồ thị phóng to sai số tại 6 điểm như sau: Điểm A (0, 0.3, 0) Điểm D (0, 0.3, 0) Điểm E (0, 0.3, 0) Điểm H (0, 0.3, 0)

Hình 4.20 Mô phỏng quỹ đạo trục Y tại các điểm khi chạy không tải

Nhận xét: Trong mô phỏng điều khiển vị trí khi chạy không tải, quỹ đạo di chuyển khi mô phỏng của cả ba trục cho sự sai số so với quỹ đạo di chuyển mong muốn Cụ thể sai số trung bình của quỹ đạo trục X khoảng 0.7%, sai số trục trục Y khoảng 0.93%, trục Z khoảng 0,9%

4.7.2 Mô phỏng điều khiển vị trí khi chạy có tải

Tương tự với mô phỏng điều khiển vị trí khi không tải, quỹ đạo di chuyển cũng sẽ bao gồm 3 kệ hàng T2_02, T3_03 và T2_01 không đổi, nhằm so sánh sai số giữa các điều kiện để xác tịnh độ hiệu quả, tính ổn định và khả năng vận hành cua thuật toán và các thông số trong điều khiển robot

Với khối lượng các cơ cấu trục 𝑚 1 = 10𝑘𝑔, 𝑚 2 = 3𝑘𝑔 và 𝑚 3 = 6𝑘𝑔 và khối lượng thùng hàng mkg Các đồ thị mô phỏng quỹ đạo di chuyển của các trục như sau:

Hình 4.21 Đồ thị mô phỏng quỹ đạo di chuyển 3 trục khi có tải

Trong mô phỏng quỹ đạo di chuyển của robot khi có tải, nguyên lý hoạt động tương tự như với quỹ đạo di chuyển khi không tải Tuy nhiên, khi vận chuyển thùng hàng 10kg do khối lượng nặng hơn, có thể sẽ gây ra sai số nhiều hơn so với quỹ đạo mong muốn

* Đối với cơ cấu trục X:

Trong giai đoạn di chuyển của trục X bao gồm ba điểm C, G và K Qua đó, có thể so sánh quỹ đạo mô phỏng di chuyển trục X so với quỹ đạo mong muốn (reference) Đồ thị phóng to sai số tại các điểm như sau: Điểm C (1.15, 0, 0) Điểm G (1.65, 0, 0) Điểm K (0.65, 0, 0)

Hình 4.22 Mô phỏng quỹ đạo trục X tại điểm A khi chạy có tải

* Đối với cơ cấu trục Z:

Trong giai đoạn di chuyển của trục Z bao gồm ba điểm B, F và J Đồ thị phóng to sai số tại các điểm như sau:

Hình 4.23 Mô phỏng quỹ đạo trục Z tại các điểm khi chạy có tải

* Đối với cơ cấu trục Y:

Trong giai đoạn di chuyển của trục Y bao gồm bốn vị trí A, D, E và H Qua đó, có thể so sánh quỹ đạo mô phỏng di chuyển trục Y so với quỹ đạo mong muốn (reference) Đồ thị phóng to sai số tại 4 điểm như sau: Điểm A (0, 0.3, 0) Điểm D (0, 0.3, 0)

Hình 4.24 Mô phỏng quỹ đạo trục Y tại các điểm khi chạy có tải

Nhận xét: Trong mô phỏng điều khiển vị trí khi chạy có tải, quỹ đạo di chuyển khi mô phỏng của cả ba trục cho sự sai số khá nhiều so với quỹ đạo di chuyển mong muốn Cụ thể sai số trung bình của quỹ đạo trục X khoảng 1.6%, sai số trục Y khoảng 2.1%, trục Z khoảng 1.8%

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN

Mục đích của hệ thống giám sát và điều khiển

Mục đích của hệ thống giám sát và điều khiển, đúng như tên gọi là được dùng để giám sát và điều khiển các hoạt động của hệ thống AS/RS

Hình 5.1 Sơ đồ khối tổng quan về Hệ thống AS/RS

Mục đích của việc giám sát hoạt động hệ thống AS/RS là để theo dõi tình trạng hoạt động tổng thể của hệ thống, giúp phát hiện các sự cố và thu thập các dữ liệu phòng trước hợp cần thiết:

• Tổng quan hệ thống: Theo dõi tình trạng thiết bị, mức độ tồn kho, hiệu suất hoạt động, v.v

• Sự cố: Phát hiện và cảnh báo kịp thời các sự cố như thiết bị hỏng hóc, lỗi vận hàng, kẹt hàng, mất điện, v.v

• Dữ liệu: Thu thập và lưu trữ dữ liệu vận hành hệ thống như: lịch sử xuất, nhập kho, Thông tin sản phẩm, dữ liệu hiệu suất, v.v

Trong hệ thống này sẽ được tích hợp vào các chế độ điều khiển, giúp vận hành máy móc kết hợp với giám sát từ xa mà không cần thao tác trực tiếp tại máy

Các chức năng điều khiển được tích hợp như:

• Điều khiển thiết bị: Điều khiển băng tải, điều chỉnh robot, chọn điểm đến cho hàng hóa, thao tác tay các quy trình xuất, nhập kho, v.v

• Quản lý quy trình: Tự động hóa các quy trình nhập kho, xuất kho, phân phối trên hệ thống băng tải, v.v

• Lập kế hoạch: Lên kế hoạch xuất nhập kho, tối ưu hóa việc sử dụng kho, dự báo nhu cầu hàng hóa, v.v.

Yêu cầu của hệ thống giám sát và điều khiển

Việc xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển cần đáp ứng các nhu cầu sau:

• Hiệu suất: Hệ thống phải có khả năng xử lý và phản hồi nhanh chóng các yêu cầu giám sát và điều khiển

• Độ tin cậy: Hệ thống phải hoạt động ổn định và liên tục, đảm bảo tính sẵn sàng cao

• Bảo mật: Hệ thống phải được bảo vệ an toàn khỏi các truy cập trái phép và tấn công mạng

• Khả năng mở rộng: Hệ thống phải có khả năng mở rộng để đáp ứng nhu cầu phát triển trong tương lai

• Khả năng lưu trữ và phân tích dữ liệu: Hệ thống nên có khả năng lưu trữ và phân tích dữ liệu vận hành để hỗ trợ việc ra quyết định và cải tiến hiệu quả hoạt động

• Dễ sử dụng: Giao diện người dùng phải dễ sử dụng và trực quan, cho phép người vận hành dễ dàng theo dõi và điều khiển hệ thống

• Tích hợp: Hệ thống phải có khả năng tích hợp với các hệ thống khác trong doanh nghiệp, ví dụ như hệ thống quản lý kho hàng (WMS), hệ thống quản lý quan hệ khách hàng (CRM).

Kết nối Web Server với bộ điều khiển hệ thống AS/RS

Có nhiều phương thức kết nối Web Server với PLC của bộ điều khiển Và OPC là một giao thức truyền thông công nghiệp thường được sử dụng rộng rãi

• Khả năng tương thích: OPC DA là giao thức chuẩn, được hỗ trợ bởi nhiều nhà cung cấp PLC và phần mềm OPC Server

• Dễ sử dụng: Việc kết nối và trao đổi dữ liệu với PLC qua OPC DA tương đối đơn giản

• Tính linh hoạt: Web Server có thể được phát triển bằng nhiều ngôn ngữ lập trình web khác nhau, cho phép tùy chỉnh theo nhu cầu cụ thể

• Khả năng mở rộng: Hệ thống có thể được mở rộng dễ dàng bằng cách thêm OPC Server và Web Server mới

Hình 5.2 Cấu trúc của OPC Server Để sử dụng OPC Server cần phải thông qua một số phần mềm OPC Server KepServerEX của Kepware là một trong số phần mềm phổ biến hỗ trợ xây dựng OPC Server

Hình 5.3 Sơ đồ khối kết nối giữa hệ thống giám sát và điều khiển với PLC

Thiết kế giao diện hệ thống giám sát và điều khiển

Blazor Web Server là một framework lập trình web mới được phát triển bởi Microsoft, cho phép lập trình viên xây dựng ứng dụng web tương tác bằng C# và HTML Ứng dụng Blazor Web Server được thực thi trên máy chủ, thay vì trình duyệt web như các ứng dụng web thông thường [15]

Lợi ích của Blazor Web Server:

• Năng suất cao: Lập trình viên C# có thể dễ dàng học và sử dụng Blazor

Web Server để xây dựng ứng dụng web, tiết kiệm thời gian và chi phí phát triển

• Hiệu suất cao: Ứng dụng Blazor Web Server được thực thi trên máy chủ, mang lại hiệu suất cao hơn so với các ứng dụng web JavaScript thông thường

• Khả năng truy cập dữ liệu máy chủ: Blazor Web Server cho phép truy cập trực tiếp dữ liệu máy chủ, giúp dễ dàng tích hợp với các hệ thống back- end hiện có

• Khả năng bảo mật: Ứng dụng Blazor Web Server được thực thi trên máy chủ, giúp tăng cường bảo mật cho dữ liệu và logic ứng dụng

• Khả năng mở rộng: Blazor Web Server được tích hợp với ASP.NET, cho phép dễ dàng mở rộng ứng dụng để đáp ứng nhu cầu phát triển

5.4.2 Cơ sở dữ liệu MYSQL

Hệ quan trị cơ sở dữ liệu là một thành phần không thể thiếu trong toàn bộ hệ thống AS/RS, nó giúp lưu trữ các dữ liệu về hàng hóa, lịch sử, sự kiện… trong hệ thống

MySQL là một hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ mã nguồn mở (RDBMS) được phát triển, phân phối và hỗ trợ bởi tập đoàn Oracle Corporation Nó là một trong những hệ quản trị cơ sở dữ liệu phổ biến nhất trên thế giới, được sử dụng bởi nhiều doanh nghiệp và tổ chức

Hình 5.5 Hệ thống quản lý dữ liệu MYSQL

Lợi ích sử dụng MySQL:

• Miễn phí: MySQL là hệ quản trị cơ sở dữ liệu mã nguồn mở, miễn phí sử dụng và sửa đổi

• Dễ sử dụng: MySQL có giao diện dễ sử dụng và nhiều tài liệu hướng dẫn, giúp dễ dàng cài đặt, cấu hình và sử dụng

• Hiệu suất cao: MySQL được tối ưu hóa cho hiệu suất cao, có thể xử lý lượng truy cập dữ liệu lớn một cách hiệu quả

• Khả năng mở rộng: MySQL có thể được mở rộng dễ dàng bằng cách thêm máy chủ mới, đáp ứng nhu cầu phát triển dữ liệu

• Độ tin cậy: MySQL là hệ quản trị cơ sở dữ liệu ổn định và đáng tin cậy, được sử dụng trong nhiều ứng dụng quan trọng

• Hỗ trợ đa nền tảng: MySQL có thể chạy trên nhiều hệ điều hành khác nhau, bao gồm Windows, Linux, macOS…

• Hỗ trợ cộng đồng lớn: MySQL có cộng đồng người dùng và nhà phát triển lớn, cung cấp nhiều tài liệu hướng dẫn, trợ giúp và công cụ miễn phí

Thiết kế giao diện hệ thống

Trong xây dựng hệ thống, việc thiết kế giao diện sử dụng của người dùng đòi hỏi giao diện phải đầy đủ chức năng, dễ tiếp cận, dễ sử dụng và có tính cá nhân hóa

5.5.1 Giao diện trang chủ hệ thống

Trong giao diện trang chủ sẽ bao gồm các tính năng như điều khiển hệ thống, các chế độ thao tác robot bằng tay, tổng quan về các số liệu của kho và lịch sử vận hành hệ thống

* Giao diện điều khiển hệ thống:

Giao điều khiển hệ thống có các tính năng điều khiển như:

+ Nút nhấn Khởi động hệ thống

+ Nút nhấn Tắt hệ thống

+ Nút nhấn chọn Chế độ nhập kho

+ Nút nhấn chọn Chế độ xuất kho

+ Nút điều khiển robot trở về điểm Home

+ Status hiển thị trạng thái bật/tắt của hệ thống

* Thao tác robot bằng tay: bao gồm các nút nhấn điều khiển robot di chuyển theo từng trục x, y, z theo chiều dương và chiều âm

* Tổng quan hệ thống kho: Giao diện tổng quan hệ thống kho bao gồm các thông số thể hiện trạng thái kho như:

+ Tổng số khu chứa hàng

* Lịch sử vận hành hệ thống: Phần bên dưới của trang chủ sẽ thể hiện các sự kiện lịch sử vận hành gần nhất của hệ thống, giúp người sử dụng có một cái nhìn tổng quan trước khi đi vào chi tiết

Hình 5.6 Giao diện trang chủ của hệ thống

5.5.2 Giao diện vận hành nhập kho

Giao diện vận hành nhập kho sẽ bao gồm hai chế độ chính là Auto và Manual

Chế độ Auto: Khi người dùng chọn chế độ Auto, Camera sẽ được bật cho lần nhập kho đầu tiên Sau đó, khi người dùng đưa hàng vào băng tải, tại vị trí cảm biến, camera sẽ quét mã QR được dán trên mặt thùng hàng nhằm xác định các thông tin cơ bản như: Loại hàng, tên hàng, ngày sản xuất, hạn sử dụng Từ đó, hệ thống sẽ tự động nhận biết và đưa pallet chứa hàng đến khu vực (zone) chứa loại hàng đó

Sau khi mã QR được quét thành công, người dùng cần nhấn nút “Start Import” để hệ thống chắc chắn rằng đã có thể nhập kho pallet đó, sau đó băng tải sẽ di chuyển đến vị trí được lập trình sẵn và robot sẽ đi chuyển đến để tiến hành lấy hàng nhập kho

Hình 5.7 Giao diện nhập kho ở chế độ Auto

Chế độ Manual: Ở chế độ manual, các bước điều khiển cũng tương tự chế độ

Auto Tuy nhiên, Camera quét mã QR sẽ không được sử dụng, người dùng buộc phải nhập các thông tin liên quan tới hàng hóa, tương tự các thông tin có trong mã QR

Các trường hợp cần sử dụng tới chế độ Manual như sau:

+ Thùng hàng không được dán mã QR Code

+ Camera không quét được mã QR

+ Các thùng hàng nằm ngoài danh sách loại hàng được tạo cho hệ thống từ ban đầu

Hình 5.8 Giao diện nhập kho ở chế độ Manual

5.5.3 Giao diện vận hành xuất kho

Trong giao diện vận hành xuất kho sẽ bao gồm ba khu vực chính:

*Khu vực nhập thông tin hàng xuất kho: Tại khu vực này sẽ bao gồm các các chức năng để chọn hàng và xuất kho, bao gồm:

+ Nhập loại hàng và tên hàng: người dùng cần nhập loại hàng và tên hàng cần xuất

+ Nút Reset: Reset các thông tin về hàng xuất đã nhập trước đó

+ Nút Confirm: Xác nhận đã nhập xong thông tin về hàng cần xuất kho + Tab Select location: chọn vị trí ô hàng muốn xuất kho

+ Nút Select: Lấy pallet tại ô hàng đã được chọn xuất ra băng tải

* Khu vực điều khiển xuất kho: Tại khu vực này sẽ bao gồm các tính năng hiển thị và điều khiển như sau:

+ Hiển thị trạng thái ON/OFF của hệ thống: Nếu hệ thống đang tắt, chế độ xuất kho sẽ không thể hoạt động được

+ Nút nhấn Start Export: Khi pallet đã được đưa lên băng tải để sẵn sàng vận chuyển, người dùng có thể nhấn nút này để khởi động băng tải chạy đến vị trí xuất kho

* Khu vực camera kiểm tra hàng xuất kho:

Tại đây khi pallet hàng được đưa đến băng tải ở vị trí có thể xuất kho, camera sẽ được bật và quét mã QR code trên thùng hàng nhằm hiển thị và so sánh với thông tin đơn hàng đã nhập trước đó, đồng thời giúp người dùng có thể kiểm tra ngoại quan thùng hàng

* Các bước hoạt động của chế độ xuất kho:

Khi sử dụng chế độ xuất kho, đầu tiên người dùng phải nhập thông tin hàng hóa muốn xuất kho tại khu vực Nhập thông tin hàng xuất kho, bao gồm các thông tin về loại hàng và tên hàng Sau khi xác nhận, hệ thống sẽ liệt kê các vị trí ô hàng chứa tên hàng đó, người dùng chỉ cần chọn ô muốn xuất hàng và sau đó pallet chứa hàng sẽ được robot đưa đến băng tải Sau khi hàng đến băng tải, người dùng có thể chọn xuất kho bằng cách nhấn nút “Start Export” tại khu vực Điều khiển xuất kho Các đơn hàng xuất kho, khi tới vị trí được lập trình sẽ được camera quét và xác nhận lại một lần nữa thông tin hàng đã xuất để tránh xảy ra sai sót

Hình 5.9 Giao diện chế độ xuất kho

5.5.4 Giao diện quản lý cơ sở dữ liệu

Trong hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu sẽ bao gồm dữ liệu về các sản phẩm được lưu kho và lịch sử các sự kiện nhập kho và xuất kho

* Giao diện thông tin sản phẩm:

Trong giao diện này sẽ bao gồm các thông tin về sản phẩm được lưu trữ trong kho như: loại hàng, tên hàng, ngày sản xuất, hạn sử dụng và vị trí ô chứa sản phẩm đó Bên cạnh đó người dùng có thể thao tác chỉnh sửa hoặc xóa sản phẩm Ngoài ra còn có chức năng thêm sản phẩm mới và xuất file excel đối với các thông tin về sản phẩm

Hình 5.10 Giao diện CSDL về sản phẩm lưu kho

* Giao diện lịch sử hệ thống:

Trong giao diện này sẽ bao gồm các thông tin lịch sử hệ thống về các sự kiện nhập/xuất kho như: thời gian, trạng thái, loại hàng, tên hàng, vị trí

Ngoài ra còn có tính năng xuất file Excel log để dễ dàng truy xuất và quản lý

Hình 5.11 Giao diện lịch sử hệ thống

Lưu đồ giải thuật và nguyên lý hoạt động của hệ thống

5.6.1 Lưu đồ giải thuật về chế độ nhập kho

Khi người dùng chọn chế độ Auto, Camera sẽ được bật cho lần nhập kho đầu tiên Sau đó, khi người dùng đưa hàng vào băng tải, tại vị trí cảm biến, camera sẽ quét mã QR được dán trên mặt thùng hàng nhằm xác định các thông tin cơ bản như: Loại hàng, tên hàng, ngày sản xuất, hạn sử dụng Từ đó, hệ thống sẽ tự động nhận biết và đưa pallet chứa hàng đến khu vực (zone) chứa loại hàng đó

Sau khi mã QR được quét thành công, người dùng chỉ cần nhấn nút “Start Import” để hệ thống chắc chắn rằng đã có thể nhập kho pallet đó, sau đó băng tải sẽ di chuyển đến vị trí được lập trình sẵn và robot sẽ đi chuyển đến để tiến hành lấy hàng nhập kho Sau khi nhập kho thành công, robot sẽ quay trở về điểm Home để chuẩn bị cho lần nhập kho tiếp theo Ở chế độ manual, các bước điều khiển cũng tương tự chế độ Auto Tuy nhiên, Camera quét mã QR sẽ không được sử dụng, người dùng buộc phải nhập các thông tin liên quan tới hàng hóa, tương tự các thông tin có trong mã QR

Hình 5.12 Lưu đồ giải thuật về chế độ nhập kho

5.6.2 Lưu đồ giải thuật về chế độ xuất kho

Nguyên lý hoạt động: Ở chế độ xuất kho, đầu tiên người dùng phải nhập thông tin hàng hóa muốn xuất kho tại khu vực Nhập thông tin hàng xuất kho, bao gồm các thông tin về loại hàng và tên hàng Sau khi xác nhận, hệ thống sẽ liệt kê các vị trí ô hàng chứa tên hàng đó, người dùng chỉ cần chọn ô muốn xuất hàng và sau đó pallet chứa hàng sẽ được robot đưa đến băng tải Sau khi hàng đến băng tải, người dùng có thể chọn xuất kho bằng cách nhấn nút “Start Export” tại khu vực Điều khiển xuất kho Các đơn hàng xuất kho, khi tới vị trí được lập trình sẽ được camera quét và xác nhận lại một lần nữa thông tin hàng đã xuất để tránh xảy ra sai sót

Hình 5.13 Lưu đồ giải thuật về chế độ xuất kho

5.6.3 Lưu đồ giải thuật điều khiển và quản lý cơ sở dữ liệu

Trong hoạt động nhập kho: Ở chế độ tự động, khi hàng được đưa lên băng tải, camera sẽ quét mã QR chứa thông tin hàng Hệ thống sẽ tự xác nhận và vận chuyển hàng nhập kho vào kệ hàng Sau đó, dữ liệu về hàng nhập kho và lịch sử nhập kho sẽ được lưu lại dựa trên thông tin từ mã QR Ở chế độ thao tác tay, người dùng cần nhập các thông tin về hàng hóa, sau đó các bước được thực hiện tương tự chế độ tự động

Trong hoạt động xuất kho, người dùng cần nhập loại hàng để có thể chọn vị trí kệ hàng chứa loại hàng đó Sau khi robot vận chuyển xuất kho, hệ thống sẽ xóa thông tin về kệ hàng chứa loại hàng đó trong CSDL và lưu lại lịch sử xuất kho

Hình 5.14 Lưu đồ giải thuật điều khiển và quản lý cơ sở dữ liệu

THI CÔNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THỰC NGHIỆM

Thi công mô hình

Kết thúc quá trình nghiên cứu và thiết kế hệ thống lưu kho và phân phối hàng tự động Nhóm sẽ xây dựng một mô hình được thu nhỏ khoảng 5 lần so với hệ thống thiết kế để kiểm nghiệm về các yêu cầu kỹ thuật, khả năng hoạt động của các chức năng thiết kế, hệ thống điện, bộ điều khiển và các thuật toán điều khiển cũng như khả năng vận hành, sử dụng hệ thống và độ hiệu quả của hệ thống trong thực nghiệm kết hợp với nghiên cứu về mức độ thực tiễn của hệ thống trong doanh nghiệp

6.1.1 Các kết quả gia công cơ khí

* Kệ hàng: Kệ hàng được chế tạo vẫn đảm bảo có đủ 18 ô chứa hàng và có hai kệ hàng ở hai bên của robot

Hình 6.1 Kết quả gia công kệ hàng

* Pallet chứa hàng: Pallet và thùng hàng được gia công thu nhỏ để phù hợp với kệ hàng nhưng vẫn đảm bảo các chức năng của một pallet và đảm bảo trong quá trình thực nghiệm

Hình 6.2 Pallet chứa thùng hàng

* Casterian Robot: Robot được gia công với đủ ba bậc tự do và đáp ứng các yêu cầu thực hiện các chức năng của hệ thống theo đúng với thiết kế đảm bảo vận hành hiệu quả trong quá trình thực nghiệm

Hình 6.3 Cơ cấu Casterian Robot (Ảnh 1)

Hình 6.4 Cơ cấu Casterian Robot (Ảnh 2)

Hình 6.5 Cơ cấu Casterian Robot (Ảnh 3)

* Băng tải: Băng tải được gia công đúng với thiết kế và đáp ứng yêu cầu thực nghiệm

Hình 6.6 Hệ thống băng tải

* Hệ thống cảm biến: Các cảm biến được lặp đặt tại các vị trí chỉ định để đảm bảo yêu cầu tự động hóa của hệ thống

* Camera: Camera được lắp đặt tại vị trí đầu băng tải để quét mã QR trước khi nhập kho và sau khi xuất kho, nhằm đáp ứng các yêu cầu về tự động hóa hệ thống và kiểm soát thùng hàng

Hình 6.7 Camera quét mã QR

6.1.2 Kết quả thi công tủ điện

Hình 6.8 Mặt ngoài tủ điện

Hình 6.9 Mặt trong tủ điện

Thực nghiệm

Sau quá trình thi công mô hình, việc áp dụng bộ điều khiển và hệ thống giám sát đã thiết kế vào điều khiển thực nghiệm là vô cùng quan trọng Việc thực nghiệm giúp đánh giá được hiệu suất của bộ điều khiển, độ chính xác, hoạt động của các cơ cấu cơ khí và khả năng vận hành tổng thể của mô hình

Hệ thống được vận hành thực nghiệm ở chế độ nhập kho và có tải với khối lượng tối đa 2.5kg, vận tốc thực nghiệm 0,1(m/s), điều khiển bằng hệ thống Web Server, với các yêu cầu sau:

+ Điều khiển vòng hở, không phản hồi

+ Có sử dụng cảm biến để xác định vị trí điểm Home nhằm mục đích reset sai số sau mỗi lần chạy

+ Robot nhận hàng từ băng tải và vận chuyển đến kệ hàng chỉ định là T2_02 để lưu kho hàng và trở về điểm nhận hàng

+ Tương tự như vậy ở giai đoạn 2, lần này robot vận chuyển hàng đến kệ T3_03 và trở về điểm nhận hàng

Các điều kiện thực nghiệm tương tự như trong quá trình mô phỏng trước đó để xác định hiệu quả và độ chính xác của bộ điều khiển cũng như sai số có nằm trong phạm vi cho phép hay không

6.2.2 Các kết quả thực nghiệm

Các kết quả thực nghiệm về khả năng vận hành của robot được mô tả qua các đồ thị quỹ đạo di chuyển ở các trục như sau:

Hình 6.10 Đồ thị thực nghiệm quỹ đạo di chuyển 3 trục

Trong đồ thị thực nghiệm quỹ đạo di chuyển của ba trục tương tự với mô phỏng chuyển động trước đó Robot di chuyển đến hai vị trí chứa hàng là T2_02(0.3,

0.12, 0.15) và T3_03(0.45, 0.12, 0.3) (đơn vị mét), bao gồm các điểm thuộc từng trục như sau:

+ Trục X bao gồm các điểm: C (0.3, 0, 0) và G (0.45, 0, 0)

+ Trục Y bao gồm các điểm: A (0, 0.12, 0), D (0, 0.12, 0), E (0, 0.12, 0) và H

+ Trục Z bao gồm các điểm: B (0, 0, 0.15) và F (0, 0, 0.3)

Cơ cấu trục X di chuyển theo quỹ đạo với các sai số so với vị trí mong muốn được thể hiện như sau: Điểm C (0.3, 0, 0) Điểm G (0.45, 0, 0)

Hình 6.11 Đồ thị thực nghiệm điều khiển quỹ đạo trục X

Cơ cấu trục Z di chuyển theo quỹ đạo với các sai số so với vị trí mong muốn được thể hiện như sau: Điểm B (0, 0, 0.15) Điểm F (0, 0, 0.3)

Hình 6.12 Đồ thị thực nghiệm điều khiển quỹ đạo trục Z

Cơ cấu trục Y di chuyển theo quỹ đạo với các sai số so với vị trí mong muốn được thể hiện như sau: Điểm A (0, 0.12, 0) Điểm D (0, 0.12, 0) Điểm E (0, 0.12, 0) Điểm H (0, 0.12, 0)

Hình 6.13 Đồ thị thực nghiệm điều khiển quỹ đạo trục Y

Nhận xét: Trong quá trình điều khiển mô hình thực nghiệm, dựa vào các đồ thị thực nghiệm trên có thể thấy chuyển động của robot trên cả ba trục có quỹ đạo tương đôi giống với mô phỏng Sai số thực nghiệm giữa các điểm mong muốn và quỹ đạo di chuyển thực tế của từng trục các kết quả như nhau: Sai số trung bình thực nghiệm quỹ đạo trục X khoảng 3%, quỹ đạo trục Y khoảng 3.6%, quỹ đạo trục Z khoảng 4%

* Mối quan hệ giữa quãng đường đi được và số xung cấp của các trục:

Trong điều khiển vị trí vòng hở, mối quan hệ giữa quãng đường đi được và số xung cấp thể hiện độ ổn định, độ chính xác và hiệu suất của hệ thống điều khiển

Trong cơ cấu trục X, Hệ thống điều khiển động cơ với 1420 xung trên 0,1m quãng đường Đến điểm C (0.3, 0, 0) Đến điểm G (0.45, 0, 0)

Hình 6.14 Đồ thị thực nghiệm mối quan hệ quãng đường và số xung trục X

Trong cơ cấu trục Z là cơ cấu trục vítme, Hệ thống điều khiển động cơ với

9000 xung trên 0,1m quãng đường Đến điểm B (0, 0, 0.15) Đến điểm F (0, 0, 0.3)

Hình 6.15 Đồ thị thực nghiệm mối quan hệ quãng đường và số xung trục Z

Trong cơ cấu trục Y chỉ có một quãng đường duy nhất dùng để nhận và trả hàng hóa,

Hệ thống điều khiển động cơ với 900 xung trên 0,1m quãng đường

Hình 6.16 Đồ thị thực nghiệm mối quan hệ quãng đường và số xung trục Y

Nhận xét: Trong mô tả mối quan hệ giữa quãng đường đi và số xung cấp của các cơ cấu trục theo x, y, z có thể thấy quỹ đạo luôn theo một đường thẳng tuyến tính Điều này cho thấy bộ điều khiển hệ thống có hiệu suất ổn định và tính hiệu điều khiển liên tục và nhất quán.

Đánh giá kết quả thực nghiệm

Sau quá trình vận hành thực nghiệm hệ thống, nhóm đã thu thập được một số kết quả như sau:

* Tổng quan vận hành hệ thống:

Mô hình điều khiển thực nghiệm được vận hành dựa trên các thông số sau: + Khối lượng hàng hóa: 2.5kg

+Tốc độ băng tải: 16,67 cm/s

+Thời gian vào kho: 7 phút/18 pallet, trung bình: 23,3 giây/pallet

+ Năng suất xuất nhập khẩu: 3756 pallet/ngày

+ Khoảng cách tối thiểu giữa 2 pallet là 15 cm

Nhận xét: Quá trình vận hành hệ thống các cơ cấu hoạt động theo đúng trình tự với yêu cầu thiết kế Bộ phận cơ khí hoạt động ổn định sau 3 chu kỳ vận hành ở chế độ xuất nhập tự động Cơ cấu trục và pallet lắc nhẹ, các bánh răng hoạt động êm ái

* Đối với thi công mô hình:

Mô hình thực nghiệm được thi công, chế tạo thu nhỏ theo tỉ lệ so với hệ thống đã thiết kế do hệ thống thiết kế khá lớn và chi phí cao Mặc dù mô hình thu nhỏ nhưng vẫn đảm bảo các điều kiện, các chức năng vận hành thực nghiệm để chứng minh hiệu suất hoạt động, cũng như hiệu quả của các cơ cấu cơ khí, bộ điều khiển và hệ thống giám sát đã thiết kế trước đó

Tuy nhiên, mô hình thi công cũng có một vài hạn chế sau:

+ Cơ cấu cơ khí chưa hoàn thiện tốt

+ Cơ cấu trục vitme cho trục Z (cơ cấu nâng hạ) chưa hợp lý

+ Chỉ có một cơ cấu băng tải sử dụng cho cả xuất/nhập kho, dẫn đến hạn chế về mặt vận hành

* Đối với bộ điều khiển:

Trong quá trình vận hành thực nghiệm, kết quả điều khiển robot cho ra những sai số đáng kể, một số vượt qua giới hạn sai số cho phép

Kết quả cho thấy quỹ đạo di chuyển điều khiển thực nghiệm so với quỹ đạo mong muốn có sự sai số tương tối lớn, cao nhất 4% ở cơ cấu trục Z

+ Cơ cấu cơ khí chế tạo chưa tốt

+ Phần lập trình cho bộ điều khiển (PLC) chưa tối ưu, thường bị mất xung, dẫn đến sai vị trí

+ Điều khiển vị trí vòng hở, dẫn đến sai số trong quá trình cấp xung

+ Hoàn thiện hơn cơ cấu cơ khí

+ Tối ưu hóa phần lập trình để nhận phản hồi từ động cơ tốt hơn

+ Nâng cấp xây dựng mô hình điều khiển vòng kín

* Đối với hệ thống giám sát và điều khiển (Web Server):

Trong quá trình vận hành thực nghiệm, hệ thống giám sát và điều khiển đảm bảo hoạt động tốt và đúng với chức năng thiết kế Ưu điểm:

+ Hoạt động tốt, phản hồi nhanh

+ Giao diện đơn giản, dễ sử dụng

+ Các chế độ nhập/xuất kho thực hiện đúng chức năng

+ Dữ liệu lưu kho được thể hiện trực quan và dễ dàng quản lý, xuất file lưu trữ khi hết ca

+ Phát hiện và giải quyết lỗi

+ Khi mất điện đột ngột, hệ thống vẫn lưu trữ thông tin, dữ liệu

+ Chưa mở rộng kết nối với nhiều hệ thống cùng lúc

+ Chưa tạo kết nối truy cập từ xa, chỉ có thể kết nối khi cùng một mạng wifi + Chưa tích hợp thêm các công nghệ trí tuệ nhân tạo và IoT để hệ thống thông minh hơn